Новый двумерный наноматериал действует как датчик температуры

Новый двумерный наноматериал действует как датчик температуры

Исследователи из KAUST разработали слоистый материал, который может служить точным датчиком температуры, используя тот же принцип, что и в биологических ионных каналах.

На этом СЭМ-изображении показана пластинчатая мембрана, изготовленная из MXene до воздействия воды / света / тепла. Изображение предоставлено: © KAUST 2020.

Некоторые белки присутствуют в клетках человека и действуют как каналы для заряженных ионов. Несколько ионных каналов, присутствующих в коже, зависят от тепла, которое толкает поток ионов, который производит электрические сигналы, которые можно использовать для измерения температуры окружающей среды.

Исследователи KAUST были мотивированы такими биологическими сенсорами и поэтому создали соединение карбида титана (Ti 3 C 2 Tx), названное MXene, которое включает несколько слоев с толщиной всего лишь несколько атомов. Отрицательно заряженные атомы, такие как фтор или кислород, покрывают каждый слой.

Эти группы действуют как разделители, разделяющие соседние нанолисты, позволяя молекулам воды проникать в межплоскостные каналы .

Сынхён Хон, постдок, КАУСТ

Хонг также является одним из членов группы, разработавшей новый датчик температуры.

Толщина каналов между слоями MXene составляет менее 1 нм. Команда использовала такие методы, как сканирующая электронная микроскопия и дифракция рентгеновских лучей, чтобы проанализировать их MXene. Было установлено, что добавление воды к материалу несколько увеличивает ширину каналов между слоями.

Когда материал вступал в контакт с раствором хлорида калия, каналы становились достаточно большими, чтобы обеспечить движение положительных ионов калия через MXene, но блокировали путь отрицательных ионов хлора.

Исследователи создали крошечное устройство, используя MXene, и выставили один его конец на солнечный свет. В частности, MXenes эффективно поглощают солнечный свет и преобразовывают эту энергию в тепло.

Последовавшее повышение температуры заставило ионы калия и молекулы воды течь через наноканалы к более теплой части от более холодного конца – эффект, называемый термоосмотическим потоком.

Это привело к изменению напряжения, аналогичному тому, что наблюдается в биологических термочувствительных ионных каналах. Следовательно, устройство могло надежно определять изменения температуры даже ниже 1 ° C.

Когда соленость раствора хлорида калия была уменьшена, производительность устройства улучшилась, частично за счет дальнейшего улучшения селективности канала для ионов калия.

Когда интенсивность света, падающего на материал, увеличивалась, его температура и реакция переноса ионов также увеличивались с той же скоростью. Это показывает, что помимо использования в качестве датчика температуры, материал может даже помочь количественно определить интенсивность света.

Исследование было результатом сотрудничества между командами профессоров KAUST Хусама Альшарифа и Пэн Ванга.

Мы предполагаем, что катионные каналы MXene имеют многообещающие перспективы для многих потенциальных применений, включая измерение температуры, фотодетектирование или сбор фототермоэлектрической энергии .

Хусам Альшариф, соруководитель исследования и профессор, КАУСТ

Справка журнала

Hong, S., и др. . (2020) Фототермоэлектрический отклик Ti 3 C 2 T x Ограниченные ионные каналы MXene. САУ Нано . doi.org/10.1021/acsnano.0c04099.

Источник: https://www.kaust.edu.sa/en[19459008visible

Source link