Выжигание лазером: графеновые датчики появятся на еде, одежде и бумаге
Исследователи из Университета Райса (США) представили новый класс электроники – съедобной.
Главным "фигурантом" необычной работы стал революционный материал графен. Он чрезвычайно тонкий, отличный проводник тепла и электричества, к тому же, обладающий антибактериальными свойствами. Лучшего кандидата было не найти, считают авторы.
Учёные при помощи лазерного травления создали RFID-метки (или метки радиочастотной идентификации) из графена на продуктах питания, а также на картоне, древесине и ткани.
Ранее мы уже рассказывали о подобных графеновых датчиках, которые умеют отслеживать влажность воздуха. Нетрудно догадаться, что сенсор такого рода позволит, к примеру, контролировать качество съедобного, но скоропортящегося продукта. Однако технология создания новых датчиков, придуманная командой химика Джеймса Тура (James Tour), значительно отличается от ранее существовавших.
Исследователь поясняет, что в данном случае речь идёт не о каких-то "чернилах". Всё намного проще и сложнее одновременно: новый метод позволяет превратить в графен фрагмент любого исходного материала, содержащего углерод.
Команда взяла за основу идею о том, что в принципе любой материал, содержащий углерод, так или иначе можно преобразовать в графен. Ведь последний – это одна из "версий" углерода (двумерная аллотропная модификация, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом).
В лаборатории Тура уже несколько лет создаются и изучаются методы изготовления графеновой пены. Для этого используется лазер, который нагревает верхний слой материала и преобразует его в пену, которая состоит из микроскопических хлопьев или чешуек.
На этот раз специалисты создали графеновые датчики (те самые однослойные хлопья или чешуйки) в несколько подходов, используя расфокусированный лазерный луч. Эксперименты показали, что последний ускоряет процесс для большинства исследованных материалов. Производство графена происходит при комнатной температуре, уточняют авторы.
Первоначально для своих опытов химики использовали полимеры из класса полиимидов. Затем последовали тесты на древесине, а потом и других материалах.
Учёные продемонстрировали, что так называемый индуцированный лазером графен (laser-induced graphene) легко образуется на бумаге, картоне, ткани и некоторых продуктах – картофеле, кокосовых орехах и даже хлебных тостах. (Хлеб, впрочем, нужно было сперва поджарить, чтобы карбонизировать поверхность, то есть насытить её соединениями углерода.)
Отмечается, что ключевую роль играет лигнин – полимерное органическое соединение. Древесина, скорлупа кокоса и кожура картофеля содержат лигнин, из которого при лазерном травлении выделяется углерод, затем преобразующийся в графен.
Авторы добавляют, что индуцированный лазером графен можно использовать в качестве суперконденсатора, электрокатализатора для топливных элементов, антенн радиочастотной идентификации (RFID) и биомедицинских датчиков. И, конечно, ещё одно очевидное применение – это метки на продуктах питания и на одежде, которые могут заменить собой этикетки.
"Очень часто мы не видим преимущества какого-то подхода, пока не сделаем его доступным. Возможно, вся еда будет иметь крошечные RFID-метки, которые дадут вам всю информацию о том, где она была, как долго хранилась, в какой стране и городе её изготовили и какими путями она добралась до вашего стола", — рассказывает Джеймс Тур.
По его словам, графеновые метки могут также послужить датчиками для обнаружения кишечной палочки или других микроорганизмов в пище. Пока это лишь прогноз на будущее. Но химики предполагают, что метка в случае обнаружения патогенных микробов подаст сигнал, что этот продукт употреблять в пищу не следует.
Более подробно о "лазерном графене" и необычных метках на еде и одежде будущего рассказывается в статье, опубликованной в журнале ACS Nano.
Напомним, что графен также помогает создавать гибкую электронику, фильтры для воды, искусственную кожу и детали для космических спутников.