Ingenjörer från Tufts University har utvecklat en ny tillverkningsmetod för att skapa färgade trådar som ändrar färg när de upptäcker en mängd olika gaser. Forskarna visade att trådarna kan läsas visuellt, eller ännu mer exakt med hjälp av en smarttelefonkamera, för att upptäcka färgförändringar på grund av analyser så låga som 50 delar per miljon. Vävt i kläder, smart, gasdetekterande trådar kan ge återanvändbara, tvättbar, och prisvärd säkerhetstillgång inom medicinsk, arbetsplats, militära och räddningsmiljöer, de säger. Studien, publiceras idag i tidningen Vetenskapliga rapporter , beskriver tillverkningsmetoden och dess förmåga att sträcka sig till ett brett spektrum av färgämnen och detektering av komplexa gasblandningar.

Även om det inte ersätter precisionen hos elektroniska enheter som vanligtvis används för att detektera flyktiga gaser, införlivande av gasdetektering i textilier möjliggör en utrustningsfri avläsning, utan behov av specialutbildning, säger forskarna. Ett sådant tillvägagångssätt kan göra tekniken tillgänglig för en allmän arbetskraft, eller till samhällen med låga resurser som kan dra nytta av den information som textilierna ger.

Studien använde ett manganbaserat färgämne, MnTPP, metylröd, och bromotymolblått för att bevisa konceptet. MnTPP och bromotymolblått kan detektera ammoniak medan metylrött kan detektera väteklorid - gaser som vanligtvis frigörs från rengöringsmedel, gödningsmedel och kemikalie- och materialproduktion. En trestegsprocess "fångar" färgämnet i tråden. Tråden doppas först i färgämnet, behandlas sedan med ättiksyra, vilket gör ytan grövre och sväller fibern, möjligen möjliggör mer bindande interaktioner mellan färgämnet och slitbanan. Till sist, tråden behandlas med polydimetylsiloxan (PDMS), vilket skapar en flexibel, fysisk tätning runt tråden och färgämnet, som också stöter bort vatten och förhindrar att färgämnet läcker ut under tvätten. Viktigt, PDMS är också gasgenomsläppligt, så att analytterna kan nå de optiska färgämnena.

"Färgämnena vi använde fungerar på olika sätt, så att vi kan upptäcka gaser med olika kemier, "sade Sameer Sonkusale, professor i el- och datateknik vid Tufts University's School of Engineering som leder Nano Lab på Tufts och är motsvarande författare till studien. Sonkusales team använde enkla färgämnen som detekterar gaser med syra- eller basegenskaper. "Men eftersom vi använder en metod som effektivt fångar färgämnet till tråden, snarare än att förlita sig så mycket på bindande kemi, vi har större flexibilitet att använda färgämnen med ett brett spektrum av funktionella kemier för att upptäcka olika typer av gaser, " han sa.

De testade färgämnena ändrade färg på ett sätt som är beroende och proportionellt mot gasens koncentration mätt med spektroskopiska metoder. Mellan precisionen hos en spektrometer och det mänskliga ögat finns möjligheten att använda smarta telefoner för att läsa ut och kvantifiera färgförändringarna eller tolka färgsignaturer med hjälp av flera trådar och färgämnen. "Det skulle göra det möjligt för oss att skala upp upptäckten för att mäta många analyser samtidigt, eller för att skilja analytter med unika kolorimetriska signaturer, sa Sonkusale.

Trådarna fungerade till och med under vatten, upptäcka förekomsten av upplöst ammoniak. "Medan PDMS -tätningsmedlet är hydrofobt och håller vatten från tråden, de upplösta gaserna kan fortfarande nå färgämnet för att kvantifieras. "sa Rachel Owyeung, huvudförfattare och doktorand vid Tufts Department of Chemical and Biological Engineering. "Som upplösta gassensorer, vi föreställer oss smarta tyger som upptäcker koldioxid eller andra flyktiga organiska föreningar under olje- och gasutforskning som en möjlig tillämpning. "

Eftersom upprepad tvätt eller användning under vattnet inte späd färgämnet, trådarna kan lita på för konsekvent kvantifierbar detektering många gånger om, sa forskarna.