Неинкапсулированные и моющиеся два

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 12288 (2022) Цитировать эту статью

1638 Доступов

1 Цитаты

9 Альтметрика

Подробности о метриках

Материалы, используемые в электронных газовых датчиках, таких как хемирезистивные датчики NO2, для встраивания в одежду, не выдерживают стандартные циклы стирки из-за комбинированного воздействия агрессивных химикатов в моющих жидкостях и механического истирания. Отказ устройства можно уменьшить за счет использования герметизирующих материалов, что, однако, снижает характеристики датчика с точки зрения чувствительности, селективности и, следовательно, полезности. Высокочувствительный электронный текстильный (электронный) датчик NO2 был изготовлен на нейлоновой ткани, устойчивой к стандартным циклам стирки, путем нанесения покрытия из оксида графена (GO) и GO/дисульфида молибдена (GO/MoS2) и проведения восстановления на месте. ГО в восстановленный оксид графена (ВГО). Электронный текстиль GO/MoS2 был селективен к NO2 и показал чувствительность к 20 ppb NO2 в сухом воздухе (0,05%/ppb) и 100 ppb NO2 во влажном воздухе (60% относительной влажности) с пределом обнаружения (LOD) ~ 7,3. части на миллиард. Селективность и низкий уровень обнаружения достигаются при работе датчика при температуре окружающей среды (~ 20 °C). Датчик сохранил свою работоспособность после 100 циклов стандартной стирки без инкапсуляции. Была исследована взаимосвязь между температурой, влажностью и реакцией сенсора. Датчик электронного текстиля был оснащен системой микроконтроллера, обеспечивающей беспроводную передачу данных измерений на мобильный телефон. Эти результаты показывают потенциал для интеграции датчиков качества воздуха на моющуюся одежду с высоким пространственным разрешением (< 25 см2) — для мониторинга индивидуального воздействия на тело.

Миллионы преждевременных смертей во всем мире связаны с плохим качеством воздуха внутри и снаружи1,2. Эпидемиологические исследования утверждают, что воздействие уровней загрязняющих веществ, превышающих установленные пределы (40 мкг м-3 — среднегодовое значение NO2), может иметь смертельные последствия, особенно для детей3,4, беременных женщин5,6 и пожилых людей7. О нежелательных последствиях для сердечно-сосудистой системы свидетельствует наблюдаемая взаимосвязь между данными о госпитализации и посещениями отделений неотложной помощи и данными о загрязнении воздуха за один и тот же/совпадающий временной график8,9. Данные о загрязнении воздуха в основном собираются с минимального количества пунктов мониторинга качества воздуха10 или специальных сетей11 (т.е. сети, состоящей из устройств, взаимодействующих друг с другом), установленных в фиксированных местах с пространственным разрешением в лучшем случае несколько сотен метров. в основном несколько километров в городах и сотни километров в сельской местности. Из-за пространственной разреженности собранные данные могут отличаться от фактических индивидуальных уровней воздействия в течение дня12. Носимые датчики могут решить эту проблему, поскольку они существуют в локальной среде субъекта. Однако из соображений удобства и полезности проблему необходимо решать ненавязчиво. Носимые датчики и электроника нового поколения стремятся встроиться в одежду пользователя, чтобы обеспечить максимальный комфорт для пользователя. В настоящее время существуют технологии для решения проблемы портативного обнаружения газа, включая наклеиваемые на тело пластыри на основе растягивающихся полимеров13 или жесткие устройства на основе кремния, заключенные в коробку, которую можно приклеить к ткани10. Пластыри на теле ограничены низкой воздухопроницаемостью и проблемами совместимости с кожей, связанными с клеящими веществами или эластичными лентами, используемыми в пластырях для обеспечения удобства ношения, что часто вызывает раздражение кожи и дискомфорт у пользователя. В то же время традиционная электроника на основе кремния, как правило, громоздка и мешает работе, поскольку изначально она не была разработана для размещения на текстильной поверхности. При использовании в качестве подложек для электронных датчиков текстильные материалы обладают всеми желательными свойствами для носимых датчиков, такими как высокая гибкость, совместимость с биологическими организмами и кожей, воздухопроницаемость, приспособляемость к произвольной форме и размеру, близость к месту измерения, и их можно носить пользователю в течение длительного времени, не вызывая дискомфорта. Датчики, которые были успешно интегрированы в текстильные изделия, включают датчики температуры, потенциометрические датчики14, тактильные датчики15, датчики влажности16,17, емкостные18, тензодатчики и датчики давления19,20. Методы прямого изготовления и нанесения активных чувствительных материалов на ткани, основанные на нанесении покрытия погружением18, химическом восстановлении19,21, горячем прессовании19 и печати22, имели такие проблемы, как однородность покрытия, совместимость с кожей и плохая стирка из-за неспособности материала с покрытием к образуют прочные связи с волокнами ткани23. Сообщалось о попытках преодолеть это ограничение путем изготовления датчиков на текстильной основе непосредственно на волокнах и пряже с использованием контролируемого покрытия чувствительного материала на волокнах пряжи24. Затем нити сплетаются вместе и интегрируются в «умные» текстильные системы для одежды25,26 или неодежды27. Чувствительность и селективность изготовленного сенсора зависит от свойств активного материала. В то время как двумерные (2D) материалы, такие как графен и родственные материалы с большой площадью поверхности (теоретически 2630 м2 г-1), демонстрируют очень высокую чувствительность к низким концентрациям NO2 (вплоть до уровня частей на миллиард), как продемонстрировали Юань и др. — 150 частей на миллиард28, Лю и др. — 5 частей на миллиард29, Фаулер и др. — 5 частей на миллион30, Шайк и др. — 2,5 частей на миллион31, Ван и др. — 5 частей на миллион32, Новиков и др. — 1 часть на миллиард33 их исследования в области обнаружения газа были ограничены в отдельные нити, которые затем можно вплетать в ткань26 или инкапсулировать. Датчики на основе графена продемонстрировали чувствительность до 250 частей на миллиард26. Также было проведено несколько работ с дихалькогенидами переходных металлов на Si/SiO2 для обнаружения NO2 с низким уровнем обнаружения, такими как MoS2, дисульфид вольфрама (WS2) и дисульфид олова (SnS2), из-за их способности работать при низких температурах (100–150 °C). )34. Например, химическое осаждение MoS2 из паровой фазы с графеном использовалось для оптоэлектронного датчика газа, достигающего уровня обнаружения 0,1 частей на миллиард и чувствительности 4,9%/млрд35. Ян и др.36 продемонстрировали расслоенный в жидкой фазе (LPE) датчик газа SnS2 с чувствительностью 0,3%/ppm и LOD 50 ppm, в то время как Ко и др.37 использовали атомно-слоевое осаждение WS2 с серебряными нанопроволоками на Si/SiO2 для достижения чувствительность 0,1%/ppm. Несмотря на опубликованные до сих пор обширные работы по графену и двумерным материалам, как, например, обзоры Бакли и др.34. Обнаружение газа NO2 на текстильных подложках не было достигнуто с высокой чувствительностью, низким уровнем обнаружения и низкой рабочей температурой (< 150 °C). Более того, еще предстоит продемонстрировать протокол, позволяющий использовать моющиеся датчики газа NO2 с дихалькогенидами переходных металлов без использования инкапсуляционных слоев.