Znajdź zawartość

Prof. Joseph Wang z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego opracował giętkie czujniki do wykrywania podwodnych zagrożeń, np. materiałów wybuchowych lub niebezpiecznych substancji. Grubą warstwę elektrochemicznego sensora nadrukowuje się na piance do nurkowania czy surfingu z neoprenu. Od dawna interesujemy się wkładanymi z ubraniem systemami elektrochemicznego monitoringu do zastosowań medycznych i związanych z bezpieczeństwem. W ciągu ostatnich 3 lat pracowaliśmy nad giętkimi, nadrukowywanymi czujnikami i dzięki możliwościom naszej grupy rozszerzyliśmy ich zastosowanie do warunków podwodnych. Studium finansowała Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych. Wśród naukowców zainteresowanie projektem było tym większe, że gros z nich nurkuje. Dzięki ich wytężonej pracy powstał naubraniowy czujnik elektrochemiczny do przeprowadzania analiz in situ w środowisku morskim. Artykuł na ten temat opublikowano w czerwcowym wydaniu pisma Analyst. Biorąc pod uwagę mnogość potencjalnych zastosowań i włożony wysiłek, nie dziwi, że Uniwersytet postanowił opatentować technologię. Każdy, kto chce dokonywać pod wodą chemicznych pomiarów, by np. wykryć zanieczyszczenia, musi mieć przy sobie przenośny analizator. Zamiast tego proponujemy nadrukowywany na ramieniu kombinezonu nurkowego czujnik z 3 elektrodami. Wewnątrz neoprenu zamontowaliśmy 3-woltową baterię i elektronikę. W zamierzeniu przyłożone napięcie ma w przypadku docelowego związku zanieczyszczającego napędzać reakcję redoks (może on oddawać lub przyjmować elektrony i w zależności od tego być donorem lub akceptorem). Później wystarczy zmierzyć przepływ prądu. Wyposażony w "kontrolki" czujnik wszczyna alarm, jeśli dopuszczalny poziom danego związku (szkodliwego zanieczyszczenia lub materiału wybuchowego) zostaje przekroczony. Jest to możliwe dzięki wmieszaniu do warstwy tuszu węglowego odpowiedniego enzymu; robi się to przed nadrukowaniem czujnika. Jeśli enzymem tym będzie tyrozynaza, a w wodzie pojawi się fenol, kolor diody LED zmieni się z zielonego na czerwony. W skład systemu wchodzi potencjostat o wymiarach 19 na 19 mm. Na odwrocie płytki obwodu drukowanego umieszczono baterię. Zespół Wanga przetestował urządzenie na 3 związkach docelowych: 1) miedzi, 2) fenolu i 3) trotylu (TNT). W eksperymentach Amerykanie posłużyli się jedną elektrodą, ale można zastosować macierz elektrod, z których każda będzie wyposażona w reagent do wykrywania innego związku. Tego typu rozwiązanie pozwala na symultaniczną detekcję wielu zanieczyszczeń. Naukowcy sądzą, że neopren to idealny materiał do drukowania. Jest elastyczny i wodoodporny, dzięki czemu bez problemu uzyskuje się obraz o dużej rozdzielczości. Testy w słonej wodzie, podczas których nadrukowane czujniki wyginano i poddawano innym deformacjom, wykazały, że w każdej bez wyjątku sytuacji sensory sprawowały się naprawdę dobrze. Po zakończeniu tego etapu badań przyszedł czas na ocenę wynalazku przez Marynarkę.

Kurkumina ma zostać podstawą tanich wykrywaczy materiałów wybuchowych. Abhishek Kumar z University of Massachusetts, twórca zaskakującego rozwiązania, tłumaczy, że wystarczy nadać barwnikowi właściwości fluorescencyjne. Wtedy można się posłużyć spektroskopią fluorescencji. Gdy z kurkuminą zwiążą się np. cząsteczki trotylu (TNT), po oświetleniu zmienią się właściwości emitowanego przez nią światła. Amerykanie zaprezentowali wyniki swoich badań na konferencji Amerykańskiego Stowarzyszenia Fizyki. Jeśli mamy gram TNT i będziemy próbkować miliard cząsteczek powietrza z losowo wybranych części pokoju, znajdziemy 4 do 5 cząsteczek TNT – to przyczyna, dla której tak trudno wykryć trotyl. Amerykański Departament Stanu szacuje, że na świecie zagraża ludziom ok. 60-70 mln min lądowych. Potrzebujemy więc przenośnego, rozmieszczalnego w terenie wykrywacza. Powinien być tani, bardzo czuły i łatwy w obsłudze. Na to, że kurkuminę można wykorzystać w takim urządzeniu, zespół Kumara wpadł zupełnie przez przypadek. Naukowcy skupiali się bowiem na biologicznych zastosowaniach substancji i poszukiwali metod zwiększenia rozpuszczalności w wodzie. Wtedy pomyśleli o wykorzystaniu jej właściwości optycznych. Na początku przeprowadzono reakcję chemiczną, w wyniku której do kurkuminy przyłączono grupy boczne wiążące się preferencyjnie z cząsteczkami materiału wybuchowego. By zachodziło świecenie, kurkumina musi znajdować się w roztworze. Jeśli ciecz podda się odparowaniu, traci swoje właściwości fluorescencyjne. Amerykanie wpadli więc na pomysł, by wykorzystać poli(dimetylosiloksan), PDMS. Jest on gęsty i lepki w temperaturze pokojowej, dlatego zapobiega ewaporacji. Na szklaną płytkę naniesiono bardzo cienką warstwę PDMS. Później akademicy posłużyli się LED-ami, które włączano i po jakim czasie wyłączano. Film jarzył się na zielono, a w obecności materiałów wybuchowych światło stawało się przytłumione. Podczas testów filmy wykrywały stężenia materiałów wybuchowych rzędu 80 części na miliard. Do wykrywania min urządzenie musi być czulsze, trzeba zatem zmodyfikować grupy dołączone do kurkuminy. Naukowcy uważają, że wykorzystanie macierzy czujników reagujących na różniące się nieznacznie barwy światła pozwoli wykrywać całą gamę materiałów wybuchowych.