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