Вогнетривкі шпалери з графеновими сенсорами піднімуть тривогу при пожежі

Китайські хіміки розробили вогнетривкі неорганічні шпалери на основі ниток з гідроксиапатиту з термодатчиками з оксиду графена, які попереджають про пожежу, що виникла. Час відгуку таких датчиків на підвищення температури до 130 градусів становить дві секунди, при цьому працювати на відкритому вогні вони можуть не менше п'яти хвилин, пишуть вчені в.

Графен - один з матеріалів, який був відкритий не так давно, але вже досить активно використовується для створення різних елементів електронних пристроїв, в першу чергу як такий, що проводить сенсорний матеріал. Прочитати про сучасний стан графенових пристроїв та їх найближче майбутнє ви можете в інтерв'ю з Костянтином Новоселовим, який отримав за відкриття графену Нобелівську премію. Одним з можливих способів застосування графена вчені називають використання його як сенсорних елементів у фарбах або розумних обоях, здатних виробляти електричний струм, реагуючи на нагрівання або зміну освітлення.

Кітіайські хіміки з Шанхайського інституту кераміки під керівництвом Чжі-Чао Сюна (Zhi-Chao Xiong) удосконалили технологію використання графенових сенсорів у шпалерах і створили негорючий неорганічний папір, який не тільки стійкий до вогню, а й містить термодатчики, здатні вчасно попередити про пожежу. Основу шпалер становить структура нанонітей гідроксиапатиту завдовжки понад 10 мікрометрів і товщиною близько 10 нанометрів.

У папері ці нитки перебували у двох станах: по-перше, у формі плоских переплетених сіток, а по-друге, у вигляді мікрометрових волокон, в яких гідроксиапатитні нитки намотані на скляні дроти з оксиду кремнію. Ці волокна надають структурі механічну міцність, зберігаючи при цьому невелику масу матеріалу і стійкість до відкритого вогню. Максимальної межі міцності такого паперу при розтягненні - близько двох мегапаскалів - вченим вдалося домогтися при введенні в структуру гідроксиапатитового паперу 20 відсотків скляних волокон.

В якості термодатчика в цих неорганічних обоях вчені запропонували використовувати оксид графена. Оскільки при підвищенні температури з структура оксиду графена відриваються всі кисневмісні функціональні групи, що призводить до переходу з діелектричного в провідний стан, то такий матеріал можна використовувати для замикання ланцюга в датчиках двох типів: зі світловим і звуковим оповіщенням. Виявилося, що подібні датчики з чистого графена на гідроксиапатитовому папері спрацьовують при температурі близько 250 градусів Цельсія приблизно з часом відгуку близько двох секунд.

Щоб додатково підвищити чутливість такого графенового сенсора до зміни температури і його стійкість до відкритого вогню, вчені додатково модифікували поверхню сенсора, додавши на неї молекули полідофаміну. За рахунок такого удосконалення вченим вдалося домогтися спрацювання датчиків вже при нагріванні всього до 130 градусів Цельсія, а час відгуку становив тільки дві секунди.

При цьому тривалість роботи таких сенсорів (тривалість світлового і звукового сигналів) становила не менше 5 хвилин. Для порівняння, немодифіковані графенові датчики переставали працювати приблизно через 3 секунди, а такі ж датчики, але на звичайних шпалерах з целюлозного паперу припиняли сигналізувати про перегрів через 7 секунд, просто тому згорали самі шпалери.

Щоб показати, що розроблений гідроксиапатитовий папір можна використовувати для виробництва справжніх шпалер, вчені пофарбували ділянки вогнетривкого сенсорного паперу площею в кілька сотень квадратних сантиметрів з використанням декількох різних барвників, а також за допомогою звичайного принтера надрукували на ньому повноколірне зображення і показали, що при необхідності цей папір може вільно гнутися і складатися.

Вчені відзначають, що розроблені ними розумні пожежоглощі шпалери з тепловими датчиками володіють достатньою чутливістю і стійкістю до вогню, щоб у майбутньому подібні матеріали можна було використовувати для підвищення пожежної безпеки житлових приміщень.

Функціональні матеріали з графена або оксиду графена нерідко використовують для розробки нових сенсорних пристроїв. Наприклад, на основі графену пропонують робити неохолоджувані тепловізори. Крім того, пристрої на основі оксиду графена можна використовувати як автономні датчики вологості.