Новости

25 июня, 2021 15:11

Внимание: газы! Электронный нос учует опасность

Источник: Поиск
Источник: Сергей Пономаренко
Необычное устройство немногим больше пачки сигарет. Но стоит включить его, как мини-моторчик засосет в сенсор воздух – и в считаные минуты на подключенном к нему мониторе компьютера появятся данные о концентрации газов в воздухе. Пока это прототип электронного носа, созданный в Институте синтетических полимерных материалов им. Н.С.Ениколопова РАН (ИСПМ). Прибор только «учат» работать в различных условиях, но он уже сейчас способен уловить, различить и определить содержание в воздухе четырех токсичных газов: аммиака, сероводорода, этилмеркаптана и диоксида азота. Рассказать об оригинальном устройстве «Поиск» попросил директора ИСПМ, члена-корреспондента РАН Сергея ПОНОМАРЕНКО, руководителя проекта «Разработка новых функциональных материалов для биосовместимой органической электроники и робототехники», поддержанного Российским научным фондом.

– Сергей Анатольевич, ваш институт создает новые материалы, а вы взяли и сделали сенсор.

– Согласитесь, можно добывать углеводороды, а можно еще их перерабатывать в новые продукты. Их цена будет намного выше, чем сырой нефти. Выгодно. Для электронного носа мы сделали особый полупроводник из органического материала, свойства которого меняются в зависимости от состава атмосферы. Мы изготавливаем из него транзисторы, которые могут служить еще и очень чувствительными сенсорами. У нас уже есть опыт получения подобных материалов, соответствующих мировому уровню. Российский научный фонд в нас верит и в 2019 году удостоил четырехгодичного гранта. Теперь нам предстоит показать товар лицом – продемонстрировать преимущества новинки, ее надежность и эффективность при испытаниях. Например, при мониторинге чистоты атмосферного воздуха.

– Наверняка подобные приборы уже существуют. Будет ли спрос на новинку?

– Да, такие приборы, конечно, есть – громоздкие, стационарные устройства для контроля чистоты воздуха. Приборы импортные, весьма дорогостоящие, наверное, поэтому их очень не хватает. В нашем столичном мегаполисе таких установок всего 60, а нужно на порядок больше. Из-за больших габаритов их практически невозможно установить в цехах, скажем, нефтеперерабатывающих заводов или химических комбинатов. Они работают лишь в непосредственной близости от производств, и таким образом проверяемый воздух попадает на анализ в уже, скажем так, разбавленном состоянии. Мы не предлагаем заменять эти приборы нашими миниатюрными, компактными сенсорами, хотя, замечу, по точности они уступают им незначительно. Наша идея – в создании своего рода сетей, состоящих из нескольких устройств, улавливающих различные вредные вещества и размещенных непосредственно в цехах. В этом случае достоверность измерений воздуха и определение мест утечки повысятся в разы.

– Пожалуйста, подробнее об органической электронике.

– Институт делает транзисторы не из привычного кремния, германия или других неорганических материалов. Мы работаем с органикой – молекулами, состоящими в основном из углерода и водорода. Наше ноу-хау – производство тончайших пленок чувствительного элемента толщиной в несколько нанометров. При этом из одного грамма органического полупроводника можно получить порядка 100 квадратных метров активного слоя транзистора. То есть достаточно одного грамма, чтобы сделать миллионы одиночных сенсоров. Благодаря столь экономному расходу материала конечное устройство обойдется очень дешево. Кроме полупроводника в сенсоре есть еще рецепторный слой, который и помогает различать газы.

– Но электронный нос улавливает не все их, а лишь некоторые?

– Такова особенность рецепторов, каждый из них по-разному взаимодействует с определенными соединениями. Поэтому сенсоров нужно достаточно много, и для распознавания их сигналов требуется использовать алгоритмы машинного обучения.

– А универсальный сделать нельзя?

– Ограничения есть всегда. Даже у носа человека, хотя он располагает несколькими сотнями различных рецепторов. Мозг анализирует полученные от них данные – и вот заключение: этот запах, скажем, распространяют цветы, а этот исходит от горячего борща. Кстати, и стационарные установки также не являются универсальными – в природе слишком много запахов, и многие из них состоят из нескольких сотен летучих веществ. Их анализировать очень трудно. Вывод простой: легче отказаться от идеи универсального сенсора, а сделать, как я уже сказал, целый их ряд, чтобы каждый улавливал лишь «свои», известные им запахи. А главная наша цель – разработать сенсор, более чувствительный, чем нос человека, чтобы мог предупреждать людей об опасности.

– Сколько будет стоить электронный нос?

– Хотя мы планируем много устройств, заточенных под определенные задачи, обойдутся они недорого. По нашим прикидкам, при массовом производстве цена сенсорного чипа составит около 10 тысяч рублей, а конечного устройства на его основе – порядка 50 тысяч. Стационарные приборы стоят раз в десять дороже.

– Есть ли аналоги вашего прибора?

– В мире это направление активно развивается, но разработчики идут каждый своим путем: используют, например, нанотрубки, оксиды металлов, другие материалы. Конкуренция высокая, но у нашего сенсора есть важные преимущества: низкая цена и малое электропотребление.

– Вы недавно опубликовали статью в известном журнале.

– Да это журнал Scientific Reports издательства Nature-Springer. Рецензенты очень хорошо отнеслись к нашей работе. Один даже подсказал, как лучше использовать возможности искусственного интеллекта для анализа полученных данных, что мы и сделали, улучшив первоначальные результаты. Между прочим, этот журнал с открытым доступом, то есть любой интересующийся может его читать, при этом за предоставление редакцией открытого доступа (вместо платной подписки) платят авторы статей. Это не значит, конечно, что опубликоваться там легко, – система рецензирования действует очень строго. Средства на это, как и на оплату работы научного коллектива, покупку приборов для измерения газов, компонентов электроники, необходимых для синтеза реактивов и расходных материалов, нам предоставил Российский научный фонд. Так что спасибо РНФ.

– Вы сделали прототип. И что дальше?

– Нам предстоит провести многочисленные испытания и убедиться, что наше устройство работает надежно и стабильно при любых перепадах температур и в разных погодных условиях. Не исключено, что сенсор придется дорабатывать. Так что, думаю, потребуется еще года два, чтобы довести его до уровня промышленного образца. За это время планируем найти инвесторов, готовых вложить средства в разработку. Надеемся, нам это удастся, ведь нашими сенсорами можно вооружить экологов, проверяющих, скажем, состояние свалок и работу мусоросжигательных заводов, а главное – предприятия с вредными видами производств, например, металлургические или нефтеперерабатывающие. Наш электронный нос поможет обнаружить опасные химические вещества и контролировать поставляемые на пищевые комбинаты продукты (ведь некоторые подпорченные продукты могут быть, что называется, с душком). Пригодятся устройства и в супермаркетах. Хотя не уверен, что их руководство согласится, чтобы наш электронный нос совался в их дела, извещая покупателей о качестве продуктов.


22 сентября, 2021
Метод российских учёных повысит качество изделий для летательных аппаратов
Сейчас в авиакосмической отрасли применяются угле-металлические композиты, однако химические реакц...
22 сентября, 2021
В СПбГУ систематизировали все случаи удаления генетического материала в клетках живых организмов
Биологи Санкт-Петербургского государственного университета впервые систематизировали все известные с...