10.11 Газовый наносенсор на основе проводящего полимера

Исследователями из Национального института стандартов и техно­логий США (NIST) был сконструирован новый наносенсор на осно­ве проводящих полимерных пленок, который может улавливать газо­образные химические соединения (рис. 10.23). Их работа была описана в выпуске журнала Американского химического общества от 6 апре­ля 2005 г. Благодаря нанопорам, расположенным на полимерной плен­ке, сенсор детектирует очень малые концентрации газообразных хи­мических соединений.

Рис. 10.16. На микрофотографиях, полученных со сканирующего электронного микроскопа (СТМ), видны основные элементы сенсора: микронагревательный элемент (слева) и расположе­ние на сенсоре губчатого полианилинового покрытия, захва­тывающего молекулы газов (справа)

Устройство также можно легко изготовить с помощью уже суще­ствующих технологий производства полимерных пленок. Но в первую очередь создание газового наносенсора обязано электропроводящим полимерам. Они обладают электрическими и оптическими свойствами, близкими к свойствам металлов и полупроводников. Но в отличие от металлов, их легче синтезировать, они дешевле и, что самое интерес­ное, могут изгибаться. Благодаря этим уникальным свойствам электро­проводные гибкие полимеры сегодня объект пристального внимания со стороны мировой микроэлектронной индустрии.

Полианилин, например, один из представителей класса электропро­водящих полимеров. Он может использоваться во многих электронных интегральных схемах. Однако его трудно обрабатывать, так как он пло­хо растворяется в большинстве традиционных растворителей. Исследователи из NIST решили эту проблему, поместив наночастицы полиани­лина в слабый раствор растворителя.

«Прелесть этого метода в том, — говорит Гуофенг Ли, один из уче­ных, работающих над газовым наносенсором, — что цепи полимера ани­лина несут естественный положительный заряд. Как только мы синте­зировали наночастицы, они перестали слипаться друг с другом, так как несут одинаковый заряд и силы электростатики действуют на них от­талкивающе. Более того, этими положительно заряженными наночастицами можно манипулировать, применив к раствору электрическое поле определенного шаблона, для того чтобы получить структуру необходи­мой конфигурации».

Рис. 10.17. Фотографии двух наносенсоров, изготовленных исследователя­ми из NIST. Каждое устройство 100 мкм в длину. Слева мик­ронагреватель покрыт проводящим полимером — полианилином (зеленого цвета), а справа — такой же нагреватель без покрытия

В течение процесса синтеза с помощью метода, предложенного ис­следователями из NIST, был получен наногубчатый полианилин, кото­рый способен эффективно захватывать молекулы газов. Далее исследо­ватели продемонстрировали, как можно с помощью этого полимера детектировать спирт или водяной пар. Для того чтобы перенастроить сенсор на другие газы (токсичные, например), исследователям необхо­димо провести ряд дополнительных изысканий.

Ученые из NIST запатентовали полученный наносенсор (рис. 10.17) и принцип его производства. Принцип действия наносенсора доволь­но прост: микронагреватель постепенно нагревает нанопористый полианилин, сопротивление которого зависит от того типа молекул, которые в нем находятся. По изменениям электрического тока, про­текающего через наносенсор, ученые узнают, на какой газ он среаги­ровал.