Den mänskliga näsan kan skilja mellan en biljon olika kombinationer av lukter. Ändå, det finns massor av gaser som våra näsor inte kan upptäcka vid den känslighetsnivå vi behöver. Det är där gassensorer kommer in. Medan några av de första sensorerna var djur – som kanariefåglar i kolgruvor – har vi sedan dess ersatt dem med teknik som kan upptäcka små mängder kemikalier i luften.

Precis som våra egna näsor, gassensorer är avgörande för säkerhet och komfort. I fabriker, gassensorer kan varna chefer för kemiska läckor eller processer som fungerar felaktigt. Utanför, de mäter föroreningar, hjälpa städer att övervaka luftkvaliteten. I hemmen, de håller familjemedlemmar säkra. Byggnadsförvaltare använder mätningar från fukt- och temperatursensorer för att maximera energieffektiviteten.

Dessa sensorer skulle inte existera utan en grundläggande förståelse för kemi och fysik. Denna grundläggande kunskap hjälper forskare att förstå hur och varför avkänningsmaterial interagerar med gasformiga kemikalier. Många banbrytande material har lovat att användas i sensorer, om bara vetenskapsmän kan lära sig att bättre producera och kontrollera dem.

"Sensorer är där materialforskning möter miljödetektering, sa Pete Beckman, en forskare vid Institutionen för energis Argonne National Laboratory (ANL).

Att lägga grunden för innovation, DOE Office of Science finansierar projekt och användaranläggningar som stödjer sensorforskning.

Skapa material för avkänning

Som näsor, sensorer förlitar sig på en kombination av komponenter för att upptäcka och förstå gaser eller kemikalier i luften. I människor, molekyler flyter upp i näsan och binder till speciella neuroner. Neuroner skickar sedan meddelandet till hjärnan. I sensorer, materialet inuti sensorn fungerar som en neuron. När det materialet interagerar med en kemikalie i luften, det kan avge ljus, ändra dess förmåga att leda elektricitet, eller ändra form. Materialen och elektroniken runt avkänningsmaterialet kommunicerar det budskapet till sensorns "hjärna, " om den hjärnan är en dator eller en varningssignal som en siren.

Att utveckla sensorers nervsystem och hjärnor är ett jobb för tillämpad vetenskap. Grundläggande forskning som arbetet vid Vetenskapskontorets laboratorier lägger grunden för den tillämpade vetenskapen. Särskilt, denna forskning utökar forskarnas förståelse av själva materialen och hur man producerar dem.

Tre typer av banbrytande material erbjuder enorm potential för användning i sensorer:nanopartiklar, tvådimensionella (2D) material, och metall-organiska ramverk (MOF). Nanopartiklar är små partiklar som är större än atomer, men agerar fundamentalt annorlunda än större partiklar av samma ämne. 2D-material, som grafen, bildar ark med endast en atomtjocklek. MOFs är föreningar gjorda av metalljoner sammanlänkade med kolbaserade kopplingar.

Alla dessa material har enorma ytareor jämfört med deras totala storlekar. Eftersom många gasmolekyler kan interagera med sina ytor, de kan vara känsliga för små mängder kemikalier. Dessutom, forskare kan skapa alla dessa material i en mängd olika strukturer. Den anpassningen kan tillåta forskare att skapa specialmaterial för att upptäcka en viss kemikalie.

Zinksulfid nanopartiklar

Nyckeln till att bygga en bättre sensor kan ligga i att göra dess avkänningsmaterial av nanopartiklar. Tyvärr, det är utmanande att tillverka några av de mest lovande av dessa nanopartiklar. Sensorer för väte och andra gaser använder redan materialet zinksulfid. Att producera zinksulfid i nanopartikelform kan göra det billigare och mer effektivt. Men den nuvarande processen för att producera zinksulfidnanopartiklar involverar mycket höga temperaturer, tryck, och giftiga kemikalier.

Forskare vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory (ORNL) undersökte en billigare, effektivare nanopartikelproduktionsprocess. Forskare med stöd av både DOE:s Advanced Manufacturing Office och Office of Science fann att mikrober kan erbjuda en alternativ väg framåt.

Inte vilken bakterie som helst duger. Forskare använde Thermoanaerobacter, en bakterie som normalt lever på extremt varma platser utan syre. Efter att ha tillsatt ett billigt socker och kemikalier som inkluderade zink och svavel, bakterierna producerade ungefär tre fjärdedelar av ett pund zinksulfidnanopartiklar. Processen var 90 procent billigare än nuvarande metoder.

Odla 2D-material

Tvådimensionella material är en speciell form av nanomaterial som bara är några få atomer tjocka. De har så stor yta jämfört med sin volym att de ger mycket utrymme för gasmolekyler att interagera och kan hålla ett stort antal av dem. Men 2D-material agerar så annorlunda än sina vanliga "bulk" motsvarigheter att forskare inte har ett bra grepp om hur de växer. Utan denna förståelse, tillverkare kan inte konsekvent producera högkvalitativa versioner av dem.

För att ta itu med detta problem, ORNL-forskare utforskade ett bättre sätt att odla 2D-material galliumselenid (GaSe). När de odlade materialet i en behållare fylld med argongas, de fann att genom att ändra gasens temperatur och flöde, de kunde växla fram och tillbaka mellan att lägga ner och ta bort atomer. Men att bara upptäcka hur man byter fram och tillbaka mellan de två tillstånden berättade inte för dem vad som faktiskt hände på den kemiska nivån.

"För att visualisera vad vi gjorde i labbet, vi behövde högupplösta, toppmoderna faciliteter såväl som verktyg för in-situ diagnostik, sa Tolga Aytug, en ORNL-forskare. För att få den nivån av precision, teamet vände sig till Center for Nanophase Materials Sciences, en Office of Science-användaranläggning på ORNL. Verktygen där hjälpte dem att se hur de processer de använde för att odla materialet påverkade dess struktur och egenskaper. Baserat på den informationen, de förfinade sina metoder för att få de egenskaper de ville ha.

I framtiden, forskare kanske kan kombinera olika 2D-material till tunna, mångsidiga sensorer. "Det fina med 2D-material är att du kan stapla de olika lagren tillsammans för att göra något konstgjort material, sa Kai Xiao, en ORNL-forskare. Dessa konstgjorda material skulle kunna upptäcka en mängd olika kemikalier istället för bara en enda.

Metall-organiska ramar

Metalljonerna och de kolbaserade kopplingarna i MOF:er bildar öppna, burliknande strukturer. En MOF bara några tum bred har en fantastisk 2,5 tunnland yta. Det ger gott om utrymme för molekyler att interagera med.

Som ett resultat, MOFs kan känna av minimala nivåer av kemikalier. Forskare kontrollerar vilka kemikalier de vill att en MOF ska upptäcka genom att ändra storleken på dess utrymmen, dess form, eller hur dess delar länkar till varandra.

"För att en MOF-baserad sensor ska fungera, det måste vara väldigt selektivt och väldigt känsligt, " sa Praveen Thallapally, en forskare vid DOE:s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

En fördel som är specifik för MOF är deras förmåga att ta emot nya molekyler genom att ändra deras strukturer. PNNL-forskare fann att en MOF med en zinkbas kunde fånga kobolt och koppar. När dessa metaller lämnade molekylen, MOF återgick till sin ursprungliga struktur. Detta betyder att efter att en kemikalie fäster sig på en MOF och utlöser en sensor, någon skulle kunna återställa och återanvända sensorn utan att behöva byta ut MOF.

Mycket av den pågående forskningen om MOF fokuserar på hur man upptäcker och bygger dem. MOFs traditionella utgångsmaterial är stela och svåra att arbeta med. I kontrast, polymerer (flexibla kedjor av molekyler) är lättare att kontrollera. Dock, de brukar samlas i tät, oorganiserade klumpar. För att dra nytta av fördelarna med var och en, forskare från University of California, San Diego hittade ett sätt att använda polymerer för att bygga MOF. Genom att använda båda kan forskare kombinera MOF:s konsistens och stora yta med polymerernas användarvänlighet. Forskarna använde hybridmaterialen för att skapa tunna filmer, som vanligtvis används i sensorer.

Nästa genombrott inom MOF-forskning kan komma från datormodellering. Att använda trial and error för att ta reda på vilken struktur som interagerar bäst med en specifik kemikalie kan ta år och bli mycket dyrt. I kontrast, kraftfulla datormodeller som använder maskininlärning gör att forskare kan hitta precis rätt material på några dagar.

PNNL-forskare som letade efter en MOF som kunde välja mellan xenon och krypton samarbetade med National Energy Research Scientific Computing Center, en Office of Science-användaranläggning vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory. Efter att ha sökt igenom mer än 120, 000 alternativ, deras datormodell pekade på ett kalciumbaserat material som utmärkte sig vid denna uppgift.

Koppla näsan till kroppen

Ett bra avkänningsmaterial är viktigt, men det fungerar inte av sig självt. Precis som en näsa behöver en kropp och hjärna, avkänningsmaterial måste vara en del av en större mekanism. Tyvärr, att få dessa material att fungera tillsammans inom en sensor är ofta en utmaning.

Tryck nanopartikelbläck

"Bläck" gjord av avkännande nanopartiklar tryckta på papper, plast, sudd, eller tyg kan tillåta ingenjörer att skapa mindre och mer flexibla sensorer.

"Att göra partiklar är en sak. Men från dessa partiklar, att göra ett funktionellt bläck är inte trivialt, " sa ORNL-forskaren Pooran Joshi, med en liten underdrift.

En ORNL-studie tog upp det bästa sättet att förvandla kopparbaserade nanopartiklar till högkvalitativt bläck. Genom att lysa ett högintensivt ljus i bara några miljondelar av en sekund, forskare smälte samman nanopartiklarna utan att smälta ytan under. När det kopparbaserade nanopartikelbläcket smälte samman, det skapade en tryckt yta. Forskare använde sedan den tryckta ytan som en komponent i en temperatursensor.

Kombinera nanorör och nanokristaller

Forskare vet att sensorer gjorda av nanorör och nanokristaller kan upptäcka så lite som en miljondel av en gas – om de bara kan få dessa två material att fungera tillsammans.

Ralu Divan och hennes team på ANL upptäckte ett sätt att lägga till nanokristaller av zinkoxid – som redan används i sensorer – till kolnanorör. Sensorer som använder de två tillsammans kan vara mycket känsligare för metan än nuvarande teknik. Genom att placera zinkoxidnanokristallerna ner atom för atom, de skapade en tunn, konsekvent lager ovanpå nanorören. Med denna process, företag kan exakt kontrollera zinkoxidens tjocklek och täckning.

För att undersöka bindningarna mellan nanokristallerna och nanorören, teamet förlitade sig på Center for Nanoscale Materials, en Office of Science-användaranläggning på ANL. "Att ha allt på ett ställe har sparat mycket tid och vi kunde röra oss snabbare än vi förväntade oss, " sa Divan.

Som ett resultat, de utvecklade en sensor som kunde upptäcka mycket lägre koncentrationer av metan än tidigare. Operatörer kan använda den igen på några sekunder istället för minuter eller timmar.

Denna sensor förbättrades så mycket jämfört med den befintliga tekniken att 2016, R&D 100 Magazine erkände det som en R&D 100-finalist. Forskargruppen arbetar nu med Array of Things-projektet, ett samarbete mellan University of Chicago och ANL. Som en del av ansträngningen att samla in realtidsdata från hundratals sensorer över hela Chicago, Array of Things-teamet räknar med att använda dessa metansensorer i framtiden.

Projekt som Array of Things har potential att förvandla städer till nätverk av sensorer, placera digitala ögon och näsor i hela det byggda landskapet. Men dessa nätverk och tekniker skulle inte vara möjliga utan en solid vetenskaplig grund. Ingenting kan matcha den mänskliga näsans mångsidighet, men forskning som Office of Science stöder hjälper till att fylla luckorna i våra biologiska förmågor.