На научно-технологической программе «Большие вызовы» школьники разрабатывают портативный гибкий датчик — мультисенсор на основе инновационного материала MXene (двумерного карбида титана) для детектирования ионов в жидкости. Это небольшое устройство способно за секунды анализировать состав жидкости по одной капле объёмом от 100 мкл — это меньше 1/50 части чайной ложки. Такая разработка важна во многих сферах — от контроля качества продуктов до медицинской и экологической диагностики. Прибор поможет проводить быстрые и точные анализы прямо на месте, без отправки проб в большую лабораторию.
Сегодня большинство ионных сенсоров представляют собой достаточно крупные стационарные приборы, которые подходят только для лабораторных исследований. Команда проекта предлагает сделать сенсорные устройства компактными и гибкими, благодаря чему датчики можно будет легко внедрять в самые разные пользовательские устройства и технологические комплексы.
«Команда разрабатывает лёгкий и гибкий датчик для встраивания в различные смарт-платформы и устройства. Его делают из особого материала — MXene (“максен”): это сверхтонкие “чешуйки” толщиной в несколько атомных слоёв. Материал отлично проводит электричество и может использоваться в виде коллоидного раствора — его наносят на гибкую основу почти как чернила. Благодаря ион-селективным мембранам датчик улавливает ионы в жидкости и превращает данные о них в понятный электрический сигнал, который легко измерить. Такой прибор востребован в любой сфере, где нужен быстрый анализ ионов без громоздкого оборудования», — рассказывает руководитель проекта, младший научный сотрудник Университета ИТМО Михаил Жуков.
Применений у такой технологии множество. В медицине она поможет отслеживать изменения водно-солевого баланса организма, например, у пациентов во время интенсивной терапии или у спортсменов во время тренировок. На производстве — контролировать состав напитков или других продуктов прямо в процессе изготовления, без постоянного отбора проб и использования лабораторного оборудования. Перспективным направлением остаётся и экологический мониторинг: гибкие сенсоры смогут быстро определять состав природных вод непосредственно на месте исследований.
Основу сенсора составляют специальные ион-селективные мембраны. Какой именно ион будет определять сенсор, зависит от выбранного ионофора — вещества, избирательно взаимодействующего с определённым типом ионов. Поэтому каждая мембрана реагирует только на свой ион — например, натрия, калия, кальция, магния, хлора, водорода, аммония или йода. После прохождения через мембрану возникает электрический сигнал, по которому можно определить не только наличие конкретного иона, но и его концентрацию. В отличие от существующих аналогов, устройство, которое создают школьники, сможет одновременно анализировать сразу несколько ионов на одной гибкой платформе.
Школьники синтезируют мембраны, проектируют конструкцию будущего сенсора, разрабатывают способы нанесения проводящих дорожек с MXene и собираются готовить систему к последующим испытаниям.
Софья Ломоносова из Москвы помогает создавать гибкий сенсор — она разрабатывает трафареты для его деталей.
«Сейчас я делаю 3D‑модели для создания трафаретов — по ним будут печатать проводящие дорожки из MXene. Потом из этих дорожек, специальных мембран и контактов соберём сам сенсор. Когда подключим устройство к прибору, сможем видеть данные в виде графиков. Параллельно я изучаю, каким компаниям может пригодиться такой сенсор и где его реально использовать», — рассказывает Софья.
Команда планирует проверить работу устройства на минеральной воде, изотонических напитках и других жидкостях, сравнив полученные результаты с заявленными производителями характеристиками. К концу программы участники рассчитывают создать рабочий прототип гибкой мультисенсорной системы и подтвердить её эффективность в эксперименте. После завершения смены работа над проектом продолжится на базе Университета ИТМО, а полученные результаты в ходе образовательной программы планируется оформить в виде научной статьи.
