Регистрация / Вход
Прислать материал

14.584.21.0020

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.584.21.0020
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"
Название доклада
Разработка нанокомпозитных материалов на основе органических полимерных матриц для создания на их основе газовых мультисенсоров типа «электронный нос»
Докладчик
Иванов Виктор Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
В настоящей работе планируется исследовать новые полимерные композиты, представляющие собой органические матрицы с внедренными наночастицами, с целью получения на их основе газочувствительных материалов для применения в газовых сенсорах, предназначенных для детектирования летучих органических соединений, водорода, углекислого газа, монооксида углерода, аммиака. В ходе выполнения проекта будут изучены принципы работы хеморезистивных газовых сенсоров с помощью раздельного изучения отклика на газы-аналиты различных его частей (матрицы, объема и поверхности наночастиц, функциональных покрытий наночастиц).

Задачи исследования:

1. Разработка методик синтеза наночастиц металлов (золота, платины, палладия), полупроводниковых оксидов (олова, цинка) при их концентрациях в полимерной матрице вблизи порога перколяции, предназначенных для получения полимеркомпозитных газочувствительных материалов.
2. Разработка методики поверхностного модифицирования металлооксидных наночастиц (декорирования) наночастицами каталитических металлов.
3. Разработка в кооперации с иностранным участником проекта топологии и конструкции сенсорного блока, включающего сенсор и предконцентратор.
4. Тестирование сенсорных блоков и электронного носа на основе матрицы сенсорных блоков.
Актуальность и новизна исследования
Детектирование газофазных примесей в воздушной среде имеет важное практическое значение, например, для мониторинга качества воздушного бассейна, продуктов питания, здоровья человека и т.д. Промышленные газовые сенсоры, как правило, требуют нагрева чувствительного слоя до высокой рабочей температуры и не имеют достаточной чувствительности и селективности в отношении сложных органических соединений, детектирование которых позволяет осуществлять мониторинг качества продуктов питания и состояния здоровья (они являются индикаторами порчи, бактериальной активности и болезней), контроль воздуха в мегаполисах и на предприятиях химической промышленности и решать задачи по обеспечению безопасности (детектирование взрывчатых веществ и химического оружия). Данная цель может быть достигнута за счет использования сенсорной матрицы (e-nose). Композитные хеморезистивные сенсоры на основе полимеров и наночастиц являются хорошими кандидатами для реализации такого подхода, так как они химически стабильны, стойки к загрязнениям, работают при низкой температуре и недороги. Изготовление сенсорной матрицы возможно методами аддитивных технологий с использованием различных функциональных чернил с высоким сродством к тем или иным аналитам, что позволяет получать матрицы сенсоров, способных различать множество газов и их смесей.
Описание исследования

В ходе выполнения проекта:

1. Должен быть выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках исследований, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 15 научно-информационных источников за период 2010–2015 гг.

2. Должны быть выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.

3. Должны быть выбраны направления исследований по разработке методов синтеза наночастиц металлов (золота, платины, палладия) и  полупроводниковых оксидов  (олова, цинка).

4. Должны быть разработаны методики синтеза наночастиц металлов (золота, платины, палладия) и  полупроводниковых оксидов (олова, цинка).

5. Должна быть разработана методика поверхностного модифицирования металлооксидных наночастиц (декорирования) наночастицами каталитических металлов.

6. Должна быть разработана эскизная конструкторская документация на  экспериментальный образец малогабаритного сенсорного блока на основе технологии МЭМС, включающего сенсор и предконцентратор.

7. Должна быть разработана методика испытаний экспериментального образца сенсорного блока на основе технологии МЭМС, включающего сенсор и предконцентратор.

8. Должны быть разработана методика испытаний экспериментального образца «электронного носа» на основе матрицы сенсорных блоков.

9. Должны быть изготовлены экспериментальные образцы дисперсий (чернил) с  нанообъектами различной формы для нанесения газочувствительных слоев методами трафаретной или струйной печати.

10. Должны быть проведены исследования характеристик газочувствительных слоев по следующим газам-аналитам: H2, C2H5OH и NH3.

11. Должен быть разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка малогабаритного газоанализатора типа ««электронный нос»» на основе матрицы сенсорных блоков».

Иностранным партнером должны быть выполнены следующие работы:

12. Должны быть выбраны направления исследований по разработке методов получения полимер-матричных композитов с селективной чувствительностью к целевым газам.

13. Должна быть разработана методика получения композитных чернил с использованием коммерчески доступных полимерных материалов (например, поливинилового спирта, поливинилхлорида, полидиметилсилоксана) при концентрациях наночастиц в полимер-матричном композите вблизи порога перколяции.

14. Должна быть разработана топология и конструкция сенсорного блока на основе технологии МЭМС, включающего сенсор и предконцентратор.

15. Должна быть разработана методика нанесения сорбционных и газочувствительных материалов на сенсорные блоки.

16. Должны быть проведены предварительные тесты сенсорных блоков.

17. По результатам проведенных предварительных тестов, должна быть выполнена оптимизация конструкции и состава материалов сенсорных блоков экспериментального образца  сенсорного блока на основе технологии МЭМС, включающего сенсор и предконцентратор и экспериментального образца «электронного носа» на основе матрицы сенсорных блоков.

Результаты исследования

На первом этапе работ выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по методам получения и газочувствительным характеристикам полимер-матричных композитных хеморезистивных сенсоров. Детально описаны выбранные направления исследований по разработке методов синтеза наночастиц металлов, полупроводниковых оксидов, а также методов функционализации поверхности наночастиц, обеспечивающей селективную чувствительность к газам аналитам. Проведена подготовка и отладка оборудования, необходимого для синтеза наночастиц металлов и оксидов. Проведена подготовка и отладка оборудования для анализа свойств индивидуальных наночастиц размером от 2 до 20 нм и свойств полимеркомпозитов с концентрацией наночастиц вблизи порога перколяции. Подготовлен отчет о патентных исследованиях по теме “Разработка нанокомпозитных материалов на основе органических полимерных матриц для создания на их основе газовых мультисенсоров типа «электронный нос»”. Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели разрабатываемых полимер-матричных композитных хеморезистивных сенсоров ожидаются на уровне лучших достижений в данной области согласно проведенным обзорам и будут достигнуты комбинацией сенсорной матрицы (e-nose) с дополнительными элементами. 

Практическая значимость исследования
Принимая во внимание возможность гибкой вариации состава полимерных композитов и относительную простоту изготовления газовых сенсоров на их основе (с применением аддитивных технологий) в сочетании с возможностью работы таких сенсоров при умеренной температуре, можно ожидать широкую область применения разрабатываемых сенсоров типа «электронный нос» для экологического мониторинга, предупреждений аварий и пожаров, контроля качества продуктов питания, мониторинга состояния здоровья человека по составу выдыхаемого воздуха. Возможными потребителями данных изделий являются службы экологического мониторинга, МЧС, предприятия железнодорожного и авиационного транспорта, пищевой промышленности, медицинские учреждения. Результаты работы планируется использовать на российских и зарубежных предприятиях, производящих газоаналитическое оборудование: НПО «Аналитприбор», г. Смоленск; ФГУП НПП «Дельта», г. Москва; НПО «Авангард», г. С-Петербург; НПО «Старт», Пензенская обл.; ООО «Практик-НЦ», г. Зеленоград, Москва; EADS, Германия; Optoelectronica Italia, Италия, а также на других российских и зарубежных предприятиях.