Ученые создали сверхчувствительный датчик давления: он может взвесить пушинку, а по точности превосходит аналоги в десятки раз. Описание разработки опубликовал научный журнал Advanced Functional Materials.
"Разработчики современных датчиков давления на основе фольги обычно отдают предпочтение точности и надежности измерений в ущерб чувствительности и диапазону замеряемых значений. Нанокомпозитные материалы лишены этих недостатков, однако их внедрению мешают нелинейные эффекты, из-за которых измерения могут быть непредсказуемыми. У наших датчиков такой проблемы нет", – рассказал один из разработчиков, физик из Университета Сассекса Шон Огилви.
Датчики давления обычно универсальны: они могут измерять различные деформации, которые вызывают прилагаемая к ним сила, неровности поверхности, ускорение и другие физические явления. Как правило, эти приборы состоят из упругой подложки, на поверхность которой наносится электрическая цепь. Когда эту подложку растягивают, ее сопротивление меняется. Благодаря этому можно измерить силу растяжения.
Как правило, каждый такой датчик предназначен для работы в очень узком диапазоне масс или измеряемых сил. Дело в том, что используемые при их изготовлении материалы достаточно плохо переносят сильное растягивание, а при приложении небольшой силы их сопротивление почти не меняется.
Графеновые весы
Огилви и его коллеги решили эту проблему. Композитный полимерный материал, который они разработали, может растягиваться почти в два раза и при этом меняет свое сопротивление очень плавно. Он состоит из двух компонентов – наночастиц графена, "двумерного" углерода, а также кремнийорганического полимера PDMS.
Основа для сверхчувствительных датчиков давления, © University of Sussex
Как показали первые эксперименты с этим материалом, при растяжении его сопротивление меняется примерно в 10 млн раз. Это абсолютный рекорд для подобных материалов. При этом, как подчеркнули ученые, то, как меняется сопротивление их разработки, можно предсказать. Для большинства других композитных материалов это не характерно.
Основу для прототипов датчиков давления ученые создали из резины, встроив в нее сферические частицы из этого материала. Они могут реагировать на изменения в давлении в 0,1% и выдерживать растягивание на дополнительные 80% от их длины. Это позволяет использовать их как для определения массы условной пушинки, так и для более серьезных измерений.
В частности, ученые отмечают, что эти устройства можно одновременно использовать как для измерения частоты сердцебиения человека, прикрепляя их к коже пациентов над артериями, так и для того, чтобы наблюдать за их движениями и дыханием. Огилви и его коллеги надеются, что это поможет их разработке проникнуть в быт и промышленность в самое ближайшее время.
