Нанокомпозит на основі рідкокристалічного матеріалу допованого нітридом алюмінія для оптоелектронного сенсора діоксиду сірки

Діоксид сірки за звичайних умов – це безбарвний газ із різким задушливим запахом. Він є побічним продуктом промисловості та негативно впливає на людський організм. Якщо концентрація SO₂ в повітрі перевищує 0.5 мг/м³, він викликає подразнення верхніх дихальних шляхів і слизових оболонок та рефлекторні зміни функціонального стану кори головного мозку. При концентрації діоксиду сірки у довкіллі 400 – 500 мг/м³, стає небезпечним для життя впродовж години перебування в такому середовищі [1]. Тому актуальною є проблема створення високочутливих селективних сенсорів SO₂.

Ми пропонуємо використати нанокомпозит на основі холестерико-нематичної суміші, яка складається з холестеричного рідкого кристала CLC2101L і нематичного рідкого кристалу 4-пентил-4'-ціанобіфеніл (5СВ), допованої нанотрубками нітриду алюмінію (AlN), в якості чутливого матеріалу первинного перетворювача оптоелектронного сенсора діоксиду сірки. Інформаційним сигналом є оптичний сигнал, а контрольованим параметром є довжина хвилі. Наночастинки такі як: вуглецеві нанотрубки, нітрид алюмінію, нітрид бору, оксид цинку, оксид титану, оксид заліза, широко використовують у якості сорбентів газів. Теоретичний аспект проблеми сорбції газів нанотрубками AlN розглянуто в роботах [2-8]. Холестерико-нематична суміш використовується як матриця, в яку вводяться нанотрубки нітриду алюмінію. Вибір матриці обумовлено необхідністю створення матеріалу, мінімум пропускання якого лежить у видимій області спектрів. Це дає можливість створити первинний перетворювач оптоелектронного сенсора на основі системи світлодіод – чутливий елемент – фотодіод.

Нанотрубки нітриду алюмінію сорбують молекули діоксиду сірки, що, внаслідок складного механізму взаємодії, приводить до зміни оптичних характеристик нанокомпозиту [9]. Кристалічні нанодроти чи одношарові нанотрубки нітриду алюмінію належать до одновимірних 1D наноструктур. Цей матеріал активно досліджується щодо можливості використання в чутливих елементах газових сенсорів для детектування діоксиду азоту, ціаніду водню, сірководню тощо [2-6]. В роботі [5] розглянуто механізм адсорбції молекул SО₂ нітридом алюмінію з погляду утворення стабільних зв’язків між молекулами газу та нанотрубками. При розгляді процесу адсорбції молекул SO₂ AlN нанотрубками існує кілька початкових абсорбційних геометрій включаючи одинарний (кисень або сірку) подвійний (S-O або О-О) або потрійний (O-S-O) зв'язки із атомами Al і N. Найбільш стабільною геометрією виявились подвійні S-O зв’язки. Крім цього процес адсорбції індукує видиму локальну деформацію структури як у SO₂ так і AlN нанотрубках.

Рис 1. Спектральна залежність зміни мінімуму пропускання в залежності від концентрації 5СВ.

Досліджувані спектральні характеристики були отримані за допомогою оптоволоконного спектрометра USB 2000 в діапазоні 200 – 800нм за нормальних умов. Для дослідження впливу діоксиду сірки на нанокомпозит використовувалася модернізована приставка спектрометра USB 2000, функціональна схема якої наведена в роботі [10]. Проведена модернізація уможливлює отримання спектрів у режимі реального часу в атмосфері шкідливих газів. Установка забезпечує температурну стабільність вимірювання. Проводилася штучна циркуляція суміші газу з повітрям у заданих концентраціях за допомогою вентилятора

Scythe Mini Kaze 40 3500 rpm (діаметр 40 мм, продуктивність 4.11 CFM) для вирівнювання концентрації суміші, у зв’язку з різними густинами досліджуваних шкідливих газів, та унеможливлення її розшарування. Оптична вісь установки розташована вертикально, що уможливлює дослідження структур на рідкій основі. Використання оптоволоконного спектрометра USB 2000 дало змогу дистанційно знімати спектральні, релаксаційні та температурні залежності.

Рис 2. Спектральна залежність часової зміни мінімуму пропускання в залежності від концентрації SO2. Концентрація діоксиду сірки 1 – 10 мг/м^3, 2 – 20 мг/м^3, 3 – 50 мг/м^3,4 – 100 мг/м^3.

Діоксид сірки був отриманий в ході реакції . Діапазон зміни концентрацій SO₂ в межах 0 – 100 мг/м³

Ми досліджували спектральні характеристики нанокомпозиту на основі холестерико-нематичної суміші CLC2101L і (5СВ), допованої нанотрубками нітриду алюмінію (AlN,) для використання його в якості чутливого матеріалу первинного перетворювача сенсора діоксиду сірки.

Робоча суміш була виготовлена наступним чином: у холестеричний рідкий кристал вводили нематичний рідкий кристал у співвідношенні 0 - 22 ваг. %. Суміш нагрівали до температури, на 5 – 7 °С вищої від температури фазового переходу в ізотропний стан, та підтримували цю температуру протягом 1 год. До суміші, яка перебуває в ізотропному стані, вводили нанотрубки нітриду алюмінію з концентрацією 0,29 ваг. %. Отриманий нанокомпозит обробляли впродовж 30 хвилин в ультразвуковій ванні Ya Xun YX 2100 з робочою частотою 42 кГц та потужністю 50 Вт.

Спектральні дослідження термостабільного холестеричного рідкого кристала CLC2101L в інтервалі температур 22 – 30 °С виявили мінімум пропускання на довжині хвилі l=482 нм. Додавання до холестерика нематичного РК 5СВ з концентрацією 0 – 40% спричинило зміщення мінімуму пропускання в довгохвильову область, крива1 (рис. 1.). Після внесення нанотрубок нітриду алюмінію з концентрацією 0.29 ваг. % відбувається зсув мінімуму пропускання в довгохвильову область, крива 2 (рис 1). Як видно з кривої 2 рис. 1. при концентрації 5СВ 22 ваг. %, мінімум пропускання складає 739 нм. Подальше збіль-шення концентрації нематичного РК приводить до зміщення мінімуму пропускання в ІЧ область спектру. Дослідження нанокомпозитів на основі холостерико-нематичної суміші з нанотрубками AlN з концентраціями 0 - 0.46 ваг. %. показало, що при концентрації нанодомішки AlN 0.29 ваг. % зміна положення мінімуму пропускання є максимальною.

а б в

Рис 3. Залежності зсуву мінімуму пропускання від концентрації 5СВ (а–7.5%, б–14%, в–22%) під впливом SO2. Концентрація діоксиду сірки 1 – 10 мг/м^3, 2 – 20 мг/м^3, 3 – 50 мг/м^3,4 – 100 мг/м^3.

 

Досліджуючи вплив діоксиду сірки (0 – 100 мг/м³) на нанокомпозит на основі холестеричного рідкого кристала CLC2101L з 0.29 ваг. % AlN, ми отримали залежності (рис. 2), на яких чітко видно, що під впливом мінімальної концентрації SO₂ відбувається значний зсув мінімуму пропускання в короткохвильову область. Однак зі збільшенням концентрації SO₂ подальше значне зміщення мінімуму пропускання не відбувається, а на залежності спостерігається стан насичення.

Рис 4. Залежність зміни положення мінімуму пропускання від концентрації 5СВ під впливом діоксиду сірки.

Для створення чутливого елемента первинного перетворювача сенсора SO₂ необхідно забезпечити різкішу зміну довжини хвилі мінімуму пропускання. З цією метою холестеричний рідкий кристал допувався нематичним рідким кристалом (5СВ) з концентрацію 0 – 22 ваг. %.

Масова частка наотрубок AlN не змінювалась. Отримано спектральні залежності нанокомпозиту з концентрацією 5СВ 0 – 22 ваг. % під впливом SO₂ (рис. 3 а, б, в).

Отримані залежності для концентрації 5СВ 7,5 % показали, що під впливом діоксиду сірки мінімум пропускання зміщується в довгохвильову область. Час взаємодії нанокомпозиту з діоксидом сірки не змінюється і становить 1–2 хв. Зміщення мінімуму пропускання для концентрації SO₂ 10 мг/м³ становить 8 нм, а зі збільшенням концентрації SO₂ від 10 до 100 мг/м³ – 13 нм. При концентрації 5СВ 14 % зсув мінімуму пропускання становить 14 нм Якщо концентрація 5СВ становить 22 %, мінімум пропускання зміщується в довгохвильову область спектру, значення зсуву становить 5 – 8 нм. З рис. 4 видно, що існує оптимальне співвідношення холестеричного та нематичного РК, для якого зміна положення мінімуму пропускання максимальна. Для наведеної залежності цей показник становить 12 % нематичного РК в холестеричному нанокомпозиті.

Рис 5. Залежність положення мінімуму пропускання від концентрації діоксиду сірки, для нанокомпозиту CLC2101L+5СВ14%+ AlN_0,29%

 

 

На рис 5 приведена залежність мінімуму пропускання наноком-позиту CLC2101L + 5СВ 14 % + AlN 0,29 % від концентрації SO₂, протягом 5 хв. взаємодії в атмосфері газу. Найбільша чутливість нанокомпозиту до діоксиду сірки становить 0,64 нм / %.

Проведені дослідження показують, що досягти максимального оптичного відгуку нанокомпозиту, який проявляється у зміні положення мінімуму пропускання в присутності аналіту, можна, змінюючи концентрацію компонентів у холестерико-нематичній суміші.

 

1. Матеріал підготовлено методистом центрального методичного кабінету

НМЦ ЦЗ та БЖД м. Києва Ільченко Н.В.Е

2. ВУГЛЕЦЕВІ НАНОТРУБКИ ЯК НОВИЙ КЛАС

МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ НАНОБІОТЕХНОЛОГІЇ…. С. В. ПРИЛУЦЬКА, О. В. РЕМЕНЯК,Ю. В. ГОНЧАРЕНКО, Ю. І. ПРИЛУЦЬКИЙ

Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, Київ

3.Електонні дисплеї..Микитюк З.М.

4.

5.

6.

7.

8.

9. ОПТИЧНІ ТА ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННІ СЕНСОРИ І ПЕРЕТВОРЮВАЧІ В СИСТЕМАХ КЕРУВАННЯ ТА ЕКОЛОГІЧНОГО МОНІТОРИНГУ

 

УДК 621.375; 543.272

В.С. ОСАДЧУК1, О.В. ОСАДЧУК1, В.Ф. ЯРЕМЧУК2, Н.С. КРАВЧУК2, С.М. СМІШНИЙ11

ВОЛОКОННО-ОПТИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ГАЗУ

1Вінницький національний технічний університет, 21021, Хмельницьке шосе, 95, м.Вінниця, Україна, Тел.: [phone]; E-mail: [e-mail]

2Вінницький державний педагогічний університет

ім. М. Коцюбинського, м.Вінниця, Україна

 

10. УДК 532.783