結合尖端材料製造更高效、更靈敏的氣體感測器-來自美國能源部

最新 03-27

美國能源部科學基金資助了支持感測器研究的項目和用戶設施。這些項目包括：創建感測材料、硫化鋅納米粒子、生長二維材料、金屬-有機框架（MOF）、印刷納米油墨等。

人類的鼻子可以區分一兆種不同的氣味組合。即便如此，我們的鼻子仍有很多氣體無法以我們需要的靈敏度檢測到。這就是氣體感測器出現的必要。我們已經有了一些可以取代嗅覺靈敏的動物的微量化學物質檢測的感測器技術。

就像我們自己的鼻子一樣，氣體感測器對安全和舒適至關重要。在工廠中，氣體感測器可以提醒管理人員化學品泄漏或流程運行不正確。在室外，他們測量污染物，幫助城市監測空氣質量。在家中，他們保持家庭成員的安全。建築管理人員使用濕度和溫度感測器進行測量，以最大限度地提高能源利用率。

如果沒有對化學和物理學的基本了解，這些感測器就不會存在。這一基本知識幫助科學家了解感測材料與氣體化學物質相互作用。如果科學家能學會如何更好地生產和控制感測器的話，許多尖端材料有望用於感測器。

為了為創新奠定基礎，美國能源部科學基金資助了支持感測器研究的項目和用戶設施。

創建感測材料

像鼻子一樣，感測器依靠組件組合來檢測和理解空氣中的氣體或化學物質。在人體中，分子會浮入你的鼻子並與特定的神經元結合。然後神經元將信息傳遞給大腦。在感測器中，感測器內部的材料起著神經元的作用。當這種物質與空氣中的化學物質發生相互作用時，它會發光，改變其導電能力，或改變形狀。感測材料周圍的材料和電子學將信息傳遞給感測器的「大腦」，無論大腦是一台計算機還是一個警報信號，如警報器。

開發感測器的神經系統和大腦是應用科學的一項工作。諸如科學實驗室辦公室的基礎研究為該應用科學奠定了基礎。特別是，這項研究正在擴大科學家對材料本身的理解以及如何生產它們。

三種類型的前沿材料為感測器提供了巨大的潛力：納米粒子，二維（2D）材料和金屬有機框架（MOF）。納米粒子是比原子大的微小粒子，但與相同物質的大粒子的行為從根本上不同的一種物質。像石墨烯這樣的二維材料只形成一個原子厚的薄片。MOFs材料製成的金屬離子化合物由碳基連接器連接在一起。

與其整體尺寸相比，所有這些材料都具有較大的表面積。由於許多氣體分子可以與其表面相互作用，因此它們可以對少量化學物質敏感。另外，科學家可以將所有這些材料製作成各種結構。這種定製可以讓研究人員創建特殊材料來檢測特定的化學物質。

硫化鋅納米粒子

製造出更好的感測器的關鍵可能在於用納米粒子製造感測材料。但是，製造其中一些最有前途的納米粒子是很有挑戰性的。氫和其他氣體的感測器已經使用了硫化鋅材料。以納米顆粒的形式生產硫化鋅，可以使其價格更低、效率更高。但是目前生產硫化鋅納米粒子的過程涉及到高溫、高壓和有毒化學品。

美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的科學家們研究了一種更便宜、更有效的納米粒子生產工藝。由美國能源部先進位造辦公室和科學辦公室支持的研究人員發現，微生物可能提供一種替代的途徑。

但是並不是任何細菌都行。科學家們使用的是溫性厭氧菌，這種細菌通常生活在極熱的地方，沒有氧氣。在添加了含鋅和硫的廉價糖和化學物質後，這種細菌產生了大約四分之三磅重的硫化鋅納米粒子。這一過程比目前的方法便宜了90%。

生長二維材料

二維材料是一種特殊形式的納米材料，只有幾個原子厚。與體積相比，它們的表面積很大，它們為氣體分子相互作用提供了很大的空間，並且能夠容納大量的氣體分子。但是，二維材料的作用與它們的正常「體積」材料是如此不同，以至於科學家們無法很好地理解它們是如何生長的。如果沒有這種理解，製造商就不可能一直生產高質量的產品。

為了解決這個問題，ORNL的科學家們探索了一種更好的生長二維材料硒化鎵(Gase)的方法。當他們在裝滿氬氣體的容器中生長這些物質時，他們發現，通過改變氣體的溫度和流量，他們可以在放下原子和帶走原子之間來回切換。但是，僅僅發現如何在兩種狀態之間來回變化，並沒有告訴他們在化學層面上到底發生了什麼。

ORNL的科學家Tolga Aytug說：「為了使我們在實驗室中所做的事情形象化，我們需要高解析度、最先進的設備以及現場診斷工具。」。為了達到這一水平，研究小組求助於位於ORNL的科學辦公室用戶設施--納米材料科學中心。那裡的工具幫助他們了解了他們用來生長材料的過程是如何影響其結構和性能的。基於這些信息，他們改進了他們的方法，以獲得他們想要的特徵。

未來，科學家可能能夠將各種2-D材料組合成薄型多功能感測器。「二維材料的美妙之處在於你可以將不同的層疊在一起製造一些人造材料，」ORNL科學家Kai Xiao說。這些人造材料將能夠檢測各種不同的化學品，而不僅僅是一種。

金屬-有機框架（MOF）

金屬離子和MOFs的碳基連接器形成開放的籠狀結構。僅幾英寸寬的MOF具有驚人的2.5英畝表面積。這為分子的相互作用提供了充足的空間。

因此，MOF可以感知微小的化學物質水平。科學家通過改變其空間大小，形狀或其各部分彼此之間的聯繫來控制他們想讓MOF檢測哪些化學物質。

美國能源部太平洋西北國家實驗室（PNNL）的科學家Praveen Thallapally說：「對於基於MOF的感測器來說，它必須非常有選擇性和非常敏感。

MOF特有的一個好處是它們能夠通過改變結構來適應新的分子。PNNL的科學家發現一種含有鋅基的MOF可以捕獲鈷和銅。當這些金屬離開分子時，MOF恢復到原來的結構。這意味著化學品附著到MOF並觸發感測器後，可以重置和重新使用感測器，而無需更換MOF。

正在進行的關於MOFs的大部分研究都集中在如何發現和構建它們。MOFs的傳統原材料是僵硬的，很難使用。相反，聚合物（分子的柔性鏈）更容易控制。但是，他們通常聚集在密集、混亂的團塊中。為了利用每種材料的優勢，加利福尼亞大學聖地亞哥分校的科學家們找到了一種使用聚合物製造MOF的方法。使用這兩種技術可以讓研究人員將MOF的一致性和大表面積與聚合物的易用性結合起來。研究人員使用混合材料製造薄膜，這種薄膜通常用於感測器。

MOF研究的下一個突破可能來自計算機建模。用試驗和錯誤來找出哪種結構與特定的化學物質相互作用最好，可能需要數年時間，而且非常昂貴。相比之下，使用機器學習的強大計算機模型使科學家能夠在幾天內找到合適的材料。

PNNL科學家與美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室科學用戶設施辦公室國家能源研究科學計算中心合作，尋找可在氙和氪之間選擇的MOF。在搜索超過120,000個選項後，他們的計算機模型指出了一種鈣基材料，在這項任務中表現出色。

把鼻子和身體連接起來

一種很好的感測材料是必不可少的，但它不會自行工作。就像鼻子需要身體和大腦一樣，感知材料也需要成為更大機制的一部分。不幸的是，要讓這些材料在感測器內一起工作往往是一個挑戰。

印刷納米油墨

由印刷在紙、塑料、橡膠或織物上的納米粒子製成的「墨水」可以讓工程師製造出更小、更靈活的感測器。

「製作微粒是一回事，但從這些微粒來看，製作功能性墨水並非微不足道，」ORNL科學家Pooran Joshi說。

ORNL的一項研究探討了將銅基納米粒子轉化為高質量油墨的最佳途徑。只需通過照射高強度光線幾百萬分之一秒，科學家將納米顆粒融合在一起，而不會熔化下面的表面。當銅基納米粒子墨水融合在一起時，就形成了印刷表面.。然後，研究人員將印刷表面作為溫度感測器的一個組成部分。

納米管與納米晶的結合

科學家們知道，由納米管和納米晶組成的感測器可以探測到每百萬氣體中只有1%的氣體--只要它們能將這兩種材料結合起來就行了。

ANL的Ralu Divan和她的團隊發現了一種將氧化鋅的納米晶體（已經用於感測器）添加到碳納米管中的方法。與目前的技術相比，將兩者結合使用的感測器對甲烷的敏感性要高得多。通過將氧化鋅納米晶逐個原子地向下放置，他們在納米管上形成了一層薄而一致的層。通過這一過程，公司可以精確地控制氧化鋅的厚度和覆蓋範圍。