Ученые из России и Китая разработали композит для изготовления гибких датчиков
Над созданием материалов для гибких и долговечных функциональных датчиков на основе металлоорганических каркасов (MOF) работает международная команда ученых из Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ и Шанхайского института керамики Китайской академии наук. В основе технологии лежит лазерная обработка каркасов, в ходе которой образуются люминесцентные наноуглероды. Полученный композит продемонстрировал высокую механическую прочность, а его эксплуатационные характеристики оказались пригодны для создания гибких электродов.
Однако главное преимущество мультифункциональных датчиков из новых полимеров перед аналогами в том, что они позволяют увеличить световой сигнал люминесценции в 70 раз. Лазерная обработка MOF открывает широкие возможности для более точного фиксирования изменений, связанных с температурой, давлением и деформацией сенсора.
По словам авторов исследования, сегодня существует лишь несколько подобных методов увеличения люминесценции металлоорганических каркасов, но они требуют больших временных ресурсов и сложных этапов синтеза. Предложенный инновационный способ изменения люминесцентных свойств материалов можно считать более простым в реализации. Он легко превращает полимер, содержащий цинк и органические лиганды, в высоколюминесцентные N-легированные наноуглероды.
В ходе экспериментов группа исследователей из России и Китая использовала особый полимер ZIF-8, состоящий из цинка и органических молекул, которые самоорганизуются в кристаллические структуры. Металлоорганические каркасы наносились на подложки, после чего подвергались лазерному облучению с переменной длительностью импульса. В результате удалось добиться интересного эффекта: после облучения ZIF-8 лазером из раза в раз получался материал с интенсивной люминесценцией. При этом не имело значения, на какую подложку он был нанесен.
«Впервые это было сделано с помощью лазера. В ходе исследования процесса преобразования материала мы обнаружили, что он превратился в легированный азотом наноуглерод и наноструктуры оксида цинка. Кроме того, при использовании гибкой полиуретановой пленки, напечатанной на 3D-принтере, произошла интеграция углерода в подложку, что сделало материал электропроводящим и механически прочным для гибкой электроники», — объясняет соавтор статьи, инженер Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Чан Туан Хоанг.
Ученые отмечают, что полученный композит сочетает в себе такие свойства как биомеханическая податливость, чувствительность люминесценции к температуре, стойкость к многократным изгибам.
«Материал остается стабильным в течение 10 тыс. циклов сгиба, что подтверждает долговечность электродов. Этот подход может в дальнейшем использоваться для изготовления датчиков температуры и изгиба, где оба сигнала могут измеряться независимо», — подчеркивает руководитель проекта, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Евгения Шеремет.
Результаты работы ученых опубликованы в журнале Advanced Optical Materials.