3D-печатные сенсоры могут сделать возможными дыхательные тесты на диабет

Исследователи из Кильского университета и Технического университета Молдовы разработали метод 3D-печати для создания высокочувствительных и энергоэффективных сенсоров. Простая и экономичная технология подходит для промышленного производства и не требует стерильных чистых комнат.

Большая поверхность делает сенсор более чувствительным

Специальная поверхность сенсора, видимая под электронным микроскопом, представляет собой «чащу» нанопроволок диаметром около 20 нанометров. Молекулы газов, например ацетона, легко запутываются в этой структуре. Нанопроволоки и наношипы увеличивают площадь поверхности сенсора, что обеспечивает его высокую чувствительность.

Для создания структуры металлические микрогранулы нагревают до образования нанопроволок, а затем с помощью специальных чернил точно наносят на поверхности с помощью 3D-принтера (технология «Direct Ink Writing»).

Многофункциональный процесс для ацетона и других газов

Автоматизированный процесс 3D-печати можно проводить в обычных условиях. Это позволяет создавать несколько сенсоров за несколько минут, тогда как в чистых комнатах на это уходили часы. Меняя исходный материал (размер и структуру), можно настраивать сенсор на обнаружение определённого газа.

«Это пока фундаментальные исследования, но в будущем этот принцип можно использовать для разработки сенсоров на водород или другие взрывоопасные и опасные газы», — считает профессор Райнер Аделунг.

Ключевым является правильное высокое соотношение площади поверхности к объёму металлических частиц. Применять такие крупные микрогранулы стандартными методами (напылением) сложно, поэтому был выбран метод 3D-печати.

Энергоэффективность позволяет создавать мобильные приложения

При контакте органических молекул с нанопроволоками сопротивление сенсора меняется, генерируя чёткие измеримые сигналы. Через тонкие проволоки проходит очень маленький объём электричества.

«Наши сенсоры потребляют очень мало энергии, — пояснил Олег Лупан. — Это делает возможными небольшие портативные измерительные устройства, которые можно считывать прямо со смартфона».

Исследователи надеются, что это позволит использовать сенсоры в мобильных дыхательных тестах для диабетиков. Вместо нескольких проколов пальца в день можно было бы измерять содержание ацетона в выдохе — продукта метаболизма, который выделяется при недостатке инсулина.

Высокочувствительные сенсоры определяют концентрацию ацетона менее 1 ppm (частей на миллион), в то время как в дыхании людей с диабетом I или II типа содержание ацетона превышает 2 ppm.