英國(guó)最近開(kāi)發(fā)出一種由“冷凍煙霧”制成的傳感器，可以快速檢測(cè)到極微量的甲醛，且靈敏度要高于多數(shù)室內(nèi)空氣品質(zhì)傳感器。

　　圖為二氧化硅做成的氣凝膠

　　甲醛是一種常見(jiàn)的揮發(fā)性有機(jī)化合物，是已知的致癌物之一。在合成木制（如中密度纖維板）的家具、壁紙、油漆、玩具以及一些合成織物等家居用品中都可測(cè)到甲醛。如果室內(nèi)甲醛濃度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致人出現(xiàn)流淚、眼睛刺痛、喉嚨灼燒、疲勞以及呼吸困難等癥狀，且高濃度的甲醛還會(huì)引發(fā)哮喘，甚至癌癥。

　　據(jù)清潔空氣日運(yùn)動(dòng)組織在2019年的一份報(bào)告中提到，英國(guó)五分之一的家庭甲醛濃度高，其中13%的住宅超過(guò)了世界衛(wèi)生組織設(shè)定的建議量。因此研發(fā)一款更好的毒性檢測(cè)器，就變得至關(guān)重要。

　　英國(guó)劍橋大學(xué)石墨烯研究中心與英國(guó)華威大學(xué)，共同開(kāi)發(fā)一款由高度多孔材料“氣凝膠”制成的傳感器，它通過(guò)精確設(shè)計(jì)的孔的形狀或形態(tài)，可在室溫下監(jiān)測(cè)到濃度極低的甲醛和其它危險(xiǎn)氣體。

　　這種氣凝膠制成的傳感器不僅所需功率很?。?30微瓦），還可以制成穿戴式的器具，用于醫(yī)療保健上。該項(xiàng)研究結(jié)果于今年2月發(fā)布在《科學(xué)》期刊上。

　　這種氣凝膠傳感器，主要是由三維（3D）多孔石墨烯或還原氧化石墨烯（rGO）制成。氣凝膠除了碳原子之外，其它99%以上都是空氣，擁有極高的孔隙率和開(kāi)放結(jié)構(gòu)，能使氣體輕松穿過(guò)，再加上超輕和導(dǎo)熱率極低的特性，被用于航天材料。

　　氣凝膠又被稱(chēng)為“冷凍煙霧”，因?yàn)樗耐庑涂崴乒腆w煙霧，且呈半透明或透明狀。

　　研究人員先是對(duì)由石墨烯（一種二維形式的碳）加熱制成糊劑，用3D列打印機(jī)打印一塊電路板上，然后再將打印成品進(jìn)行冷凍干燥和清洗，最終打印出的細(xì)絲垂直于底部電極，以獲得更好的電氣接觸和導(dǎo)電性。

　　之后，實(shí)驗(yàn)人員將打印好的石墨烯氣凝膠，放進(jìn)含有氯化銅、或氯化鎳或氯化鈷金屬溶液的乙醇中，讓金屬附著在氣凝膠的表面。最后用己烷洗滌多余的物品，使得氣凝膠表面附上一層金屬氧化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)，讓傳感器能快速吸收那些空氣中擴(kuò)散極快的氣體。

　　研究人員表示，之所以選用這三種金屬，主要是這些金屬氧化物被廣泛用于氣體感應(yīng)檢測(cè)上，且使用酒精這種弱張力的有機(jī)溶劑，是為了避免原本打印好的氣凝膠從電路板基板上剝離。

　　研究人員還表示，選用3D打印是為了打印出多種尺度的感應(yīng)物件，方便對(duì)氣凝膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)還可獲得額外的維度和可區(qū)分的特征，讓傳感器在檢測(cè)不同氣體時(shí)，更具有可調(diào)性。

　　研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多方面的測(cè)試和調(diào)整，最終做出了一款能在幾秒鐘內(nèi)，在室溫下對(duì)甲醛和其它揮發(fā)性有機(jī)化合物進(jìn)行“高靈敏度檢測(cè)”和“即時(shí)識(shí)別”的氣凝膠傳感器。這款氣凝膠傳感器可以檢測(cè)濃度低至8ppb的甲醛，該數(shù)值相當(dāng)于英國(guó)工作場(chǎng)所可暴露安全水平的0.4%。

　　試驗(yàn)過(guò)程中，他們發(fā)現(xiàn)，影響影響氣凝膠氣靈敏性能的有主要三個(gè)關(guān)鍵因素，即打印結(jié)構(gòu)的表面孔隙率、細(xì)絲直徑和表面陣列排序。細(xì)絲越細(xì)，表面孔隙率越大，感應(yīng)效果和對(duì)氣體的識(shí)別率越高。

　　研究人員表示，該技術(shù)可用于開(kāi)發(fā)檢測(cè)其它有機(jī)化合物的傳感器。

　　華威大學(xué)的合作者朱利安·加德納教授對(duì)劍橋大學(xué)的新聞室說(shuō)，“華威大學(xué)正在開(kāi)發(fā)一種低成本的多傳感器平臺(tái)，該平臺(tái)將整合這些新型氣凝膠材料，并與算法相結(jié)合，檢測(cè)不同的揮發(fā)性有機(jī)化合物?！?/p>

　　劍橋大學(xué)丘吉爾學(xué)院的院士、石墨烯研究中心的陶菲克·哈桑教授則表示：“甲醛等揮發(fā)性有機(jī)化合物即使在低濃度下，長(zhǎng)時(shí)間接觸也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問(wèn)題，但目前的傳感器不具備區(qū)分對(duì)健康有不同影響的揮發(fā)性有機(jī)化合物的靈敏度或選擇性?！?/p>

　　他接著說(shuō)，“現(xiàn)有的揮發(fā)性有機(jī)化合物檢測(cè)器只能得到空氣中總濃度的一個(gè)數(shù)字，而我們開(kāi)發(fā)的即時(shí)傳感器，可以快速檢測(cè)極低濃度有機(jī)化合物，可以讓家庭和企業(yè)更準(zhǔn)確地了解空氣品質(zhì)，和任何潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

　　論文的第一作者陳卓表示，“傳統(tǒng)的氣體傳感器使用時(shí)需要加熱，但我們?cè)O(shè)計(jì)氣體傳感器通過(guò)使用高度多孔的材料作為感測(cè)元件，使它可在室溫下正常運(yùn)行，無(wú)需再加熱，這使它的功耗要比其它的傳感器少10到100倍左右。”

　　該研究得到了亨利萊斯研究所以及英國(guó)研究與創(chuàng)新旗下的工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)的支持。