Новая конструкция газового датчика удешевит мониторинг вредных веществ в воздухе
Ученые из Сколтеха спроектировали и испытали простой в изготовлении полупроводниковый химический сенсор с низкой себестоимостью и стоимостью одного измерения, способный за 40 секунд регистрировать наличие в воздухе вредных газов или информативных веществ. В исследовании показана 90-процентная точность обнаружения огнеопасного ацетона, а также токсичных сероводорода и двуокиси азота, но сенсор будет чувствителен и к другим газам, а точность можно повысить сделав два и более измерения подряд.
Описанное в журнале Sensors and Actuators B: Chemical устройство использует в качестве чувствительного элемента «ткань» из углеродных нанотрубок, подвешенную между двумя электродами. Это первый сенсор такой конструкции с использованием нанотрубок.
Применения такого рода сенсоров не ограничиваются оценкой качества воздуха на производстве или вблизи автодорог. Так, пациенты с диабетом первого типа выдыхают воздух с содержанием ацетона, по количеству которого можно понять, когда необходима инъекция инсулина. А по концентрации газов в парнике или в промышленном холодильнике можно оценить, насколько созрели фрукты и овощи или начало ли портиться мясо.
Газовые сенсоры на основе разных технологий занимают разные ниши. Полупроводниковые сенсоры наподобие того, что предложен в Сколтехе, хороши там, где нужен постоянный мониторинг (частые измерения). Это связано с их низким энергопотреблением и дешевизной в изготовлении и эксплуатации. Притом они очень чувствительны, но здесь кроется и недостаток: из-за того, что эти устройства чутко реагируют на присутствие в воздухе многих разных веществ, возникает вопрос, как получить информацию о содержании конкретного соединения.
Повышать «избирательность» полупроводниковых сенсоров можно подражая обонянию млекопитающих.
«Электрическое сопротивление чувствительного материала, в нашем случае — ткани из углеродных нанотрубок, меняется в ответ на присутствие многих газов. Но оно может меняться по-разному в ответ на разные газы в разных концентрациях, и здесь кроется технологическая возможность, — рассказывает первый автор исследования, стажер-исследователь и аспирант программы «Науки о материалах» Сколтеха Константин Заманский. — Ведь обоняние человека тоже устроено так, что рецепторы в эпителии реагируют на самые разные вещества. Но разные группы рецепторов реагируют на каждый запах по-своему. И по силе активации связанных с ними нейронов мозгу удается распознать, с каким запахом имеет дело нос».
Подобным образом, если одновременно использовать множество полупроводниковых сенсоров, каждый из которых будет играть роль одного «рецептора», при появлении некоторого газа вся система сенсоров («нос») сгенерирует многомерный отклик, и этот сигнал можно будет исследовать на предмет наличия нужного паттерна («запаха») методами машинного обучения («мозгом»). «Мы действуем несколько иначе и получаем многомерный сигнал от одного и того же сенсора, но при разных температурах», — уточняет Заманский.
Предложенная научной группой конструкция сенсора предполагает, что чувствительный материал — фрагмент ткани из одностенных углеродных нанотрубок — подвешен в воздухе между двумя электродами (они напыляются золотом на подложку из поликристаллического оксида алюминия). Такое решение позволяет почти мгновенно нагревать или охлаждать сенсор до заданной температуры: за 40 секунд прибор успевает измерить сопротивление сенсора при 400 различных температурах в диапазоне от 25 °C до 125 °C.
Именно эти 400 значений и представляют паттерн запаха, который модель машинного обучения классифицирует как относящийся к одному из газов со средней точностью 90 процентов. Совпадение результатов в каждом последовательном цикле снижает вероятность ошибки примерно в 10 раз, повышая уверенность в результате до 99 процентов уже на второй минуте мониторинга (хотя это не строгий расчет). При этом стоимость одного такого измерения при детектировании, например, двуокиси азота оказывается ниже, чем у других сенсоров.
Использование фильтрации данных (для выделения базовой линии) позволило создателям сенсора не только интерпретировать его сигнал, но и учесть эффект так называемого старения устройства. Это явление проявляется в том, что при продолжительной эксплуатации отклик на те же газы при тех же условиях меняется. Именно поправка на эффект старения сенсора позволила вдвое снизить процент ошибок и тем самым довести точность измерений до 90 процентов. Проблема актуальна и для других полупроводниковых сенсоров, хотя не во всех работах учитывается — здесь же она успешно решена для интервала как минимум в 10 часов эксплуатации. Освещенное в пресс-релизе исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
Telegram 
Дзен 
VK Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Ученые МИЭМ ВШЭ предложили математическую модель, которая позволяет понять, как взаимодействие между сообществами влияет на их устойчивость. Работа основана на классической теории эволюционных игр и демонстрирует неожиданный эффект: даже небольшое информационное воздействие одного сообщества на другое может привести к тому, что одно из них сохранит внешнюю стабильность, а в другом начнутся хаотические изменения на уровне отдельных участников.
Физики Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из Алферовского университета и ИТМО показали, как управлять свечением углеродных точек, помещая их на полупроводниковые нанопровода.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно