(PhysOrg.com) – Forskare vid Georgia Institute of Technology har utvecklat en prototyp av trådlös sensor som kan detektera spårmängder av en nyckelingrediens som finns i många sprängämnen.

Enheten, som använder kolnanorör och är tryckt på papper eller pappersliknande material med standard bläckstråleteknik, skulle kunna sättas in i stort antal för att varna myndigheterna om förekomsten av sprängämnen, såsom improviserade explosiva anordningar (IED).

"Denna prototyp representerar ett viktigt steg mot att producera ett integrerat trådlöst system för detektering av sprängämnen, ” sa Krishna Naishadham, en huvudforskare som leder arbetet vid Georgia Tech Research Institute (GTRI). "Den innehåller en sensor och en kommunikationsenhet i en liten, lågkostnadspaket som kan fungera nästan var som helst.”

Andra typer av farliga gassensorer är baserade på dyr halvledartillverkning och gaskromatografi, Naishadham sa, och de förbrukar mer ström, kräver mänsklig inblandning, och fungerar vanligtvis inte vid omgivningstemperaturer. Vidare, dessa sensorer har inte integrerats med kommunikationsenheter som antenner.

Den trådlösa komponenten för att kommunicera sensorinformationen – en lätt resonansantenn – trycktes på fotografiskt papper med hjälp av bläckstråletekniker som utformats av professor Manos Tentzeris från Georgia Techs School of Electrical and Computer Engineering. Tentzeris samarbetar med Naishadham om utvecklingen av avkänningsenheten.

Avkänningskomponenten, baserat på funktionaliserade kolnanorör (CNT), har tillverkats och testats för detektionskänslighet av Xiaojuan (Judy) Song, en GTRI-forskare. Enheten förlitar sig på kol-nanorörmaterial optimerade av Song.

En presentation om denna avkänningsteknik gavs i juli vid IEEE Antennas and Propagation Symposium (IEEE APS) i Spokane, Tvätta., av Hoseon Lee, en Ph.D. student vid School of Electrical and Computer Engineering med samrådgivning av Tentzeris och Naishadham. Tidningen fick hederspriset i tävlingen Best Student Paper vid symposiet.

Detta är inte den första bläckstråletryckta ammoniaksensorn som har integrerats med en antenn på papper, sa Tentzeris. Hans grupp producerade en liknande integrerad sensor förra året i samarbete med forskargruppen C.P. Wong, som är Regents professor och Smithgall Institute Endowed Chair vid School of Materials Science and Engineering vid Georgia Tech.

"Den grundläggande skillnaden är att denna nyaste CNT-sensor har dramatiskt förbättrad känslighet för minimala ammoniakkoncentrationer, sa Tentzeris. "Det borde göra det möjligt för de första praktiska applikationerna att upptäcka spårmängder av farliga gaser i utmanande driftsmiljöer med hjälp av bläckstråleutskrivna enheter."

Tentzeris förklarade att nyckeln till att skriva ut komponenter, kretsar och antenner ligger i nya "bläck" som innehåller silvernanopartiklar i en emulsion som kan avsättas av skrivaren vid låga temperaturer - runt 100 grader Celsius. En process som kallas sonikering hjälper till att uppnå optimal bläckviskositet och homogenitet, möjliggör enhetlig materialavsättning och tillåter maximal driftseffektivitet för pappersbaserade komponenter.

"Bläckstråleutskrift är låg kostnad och bekvämt jämfört med andra tekniker som våtetsning, sa Tentzeris. "Med rätt bläck, en skrivare kan användas nästan var som helst för att producera anpassade kretsar och komponenter, ersätter traditionella renrumsmetoder."

Lågkostnadsmaterial – som tungt fotopapper eller plast som polyetentereftalat – kan göras vattentäta för att säkerställa större tillförlitlighet, han lade till. Utskrift av bläckstrålekomponenter kan också använda flexibla organiska material, såsom flytande kristallpolymer (LCP), som är kända för sin robusthet och väderbeständighet. De resulterande komponenterna har samma storlek som konventionella komponenter men kan anpassa sig till och fästa på nästan vilken yta som helst.

Naishadham förklarade att samma bläckstråleteknik som används för att producera RF-komponenter, kretsar och antenner kan också användas för att deponera de funktionaliserade kolnanorör som används för avkänning. Dessa cylindriska strukturer i nanoskala - cirka en miljarddels meter i diameter, eller 1/50, 000:e bredden av ett människohår – funktionaliseras genom att belägga dem med en ledande polymer som drar till sig ammoniak, en viktig ingrediens som finns i många IED.

Sonikering av de funktionaliserade kolnanorören ger ett enhetligt vattenbaserat bläck som kan skrivas ut sida vid sida med RF-komponenter och antenner för att producera en kompakt trådlös sensornod.

"De optimerade kolnanorören appliceras som en avkänningsfilm, med specifik funktionalisering utformad för en viss gas eller analyt, " sa Song. "GTRI-sensorn upptäcker spårmängder av ammoniak som vanligtvis finns nära explosiva enheter, och den kan också utformas för att detektera liknande gaser i hushåll, vård och industrimiljöer vid mycket låga koncentrationsnivåer.”

Sensorn har designats för att detektera ammoniak i spårmängder – så låga som fem ppm, sa Naishadham.

Det resulterande integrerade avkänningspaketet kan potentiellt upptäcka närvaron av spårexplosiva material på avstånd, utan att äventyra människoliv. Detta tillvägagångssätt, kallad avståndsdetektering, innebär användning av RF-teknik för att identifiera explosiva material på relativt säkert avstånd. GTRI-teamet har designat enheten för att skicka en varning till närliggande personal när den upptäcker ammoniak.

De trådlösa sensornoderna kräver relativt låg effekt, som kan komma från ett antal tekniker inklusive tunnfilmsbatterier, solceller eller energislukande och energiskördande tekniker. I samarbete med Tentzeris och Wongs grupper, GTRI undersöker sätt att få sensorn att fungera passivt, utan någon strömförbrukning.

"Vi fokuserar på att tillhandahålla avståndsdetektering för dem som är engagerade i militära eller humanitära uppdrag och andra farliga situationer, sa Naishadham. "Vi tror att det kommer att vara möjligt, och kostnadseffektiv, att distribuera ett stort antal av dessa detektorer på fordon eller robotar i en militär insatszon."