嗅出传感器的基础科学

人类的鼻子可以区分一兆种不同的气味组合。即便如此，我们的鼻子仍有很多气体无法检测到我们需要的灵敏度。这就是气体传感器出现的地方。而一些第一传感器进行动物–像煤矿–我们已经取代了他们的技术可以检测到空气中微量的化学品的金丝雀。

图像说明：这个传感器能比目前的浓度低得多的探测甲烷。它依赖于纳米材料中心开发的纳米技术，这是一个科学用户设施办公室。

就像我们自己的鼻子一样，气体传感器对于安全和舒适是必不可少的。在工厂中，气体传感器可以提醒管理人员化学泄漏或进程不正确地运行。在室外，他们测量污染物，帮助城市监测空气质量。在家里，他们保持家庭成员的安全。建筑管理人员使用湿度和温度传感器进行测量，以最大限度地提高能源利用率。

如果没有对化学和物理学的基本了解，这些传感器就不会存在。这一基本知识帮助科学家了解传感材料与气体化学物质相互作用的原因和原因。许多尖端材料有望用于传感器，如果科学家能学会如何更好地生产和控制传感器的话。

“传感器在材料研究和环境检测，”Pete Beckman说，在美国能源部阿贡国家实验室的研究人员（ANL）。

为创新奠定基础，美国能源部科学基金资助了支持传感器研究的项目和用户设施。

创建传感材料

像鼻子一样，传感器依靠部件的组合来检测和理解空气中的气体或化学物质。在人类中，分子漂浮在你的鼻子上并与特殊的神经元结合。然后神经元将信息传递到大脑。在传感器中，传感器内部的材料起着神经元的作用。当这种物质与空气中的化学物质发生相互作用时，它会发光，改变其导电能力，或改变形状。传感材料周围的材料和电子学将信息传递给传感器的“大脑”，无论大脑是一台计算机还是一个警报信号，如警报器。

开发传感器的神经系统和大脑是应用科学的一项工作。像科学实验室的工作这样的基础研究为应用科学奠定了基础。特别是，这项研究正在扩大科学家对材料本身的理解以及如何制造它们。

三种类型的尖端材料提供了用于传感器的巨大潜力：纳米粒子二维（2D）材料和金属有机骨架（MOFs）。纳米粒子的微小粒子，比原子，但行为从根本上不同于大颗粒的一种物质。像石墨烯这样的二维材料只形成一个原子厚的薄片。MOFs材料制成的金属离子化合物由碳基连接器连接在一起。

所有这些材料有巨大的表面积相比，他们的整体尺寸。因为许多气体分子可以与它们的表面相互作用，它们对微量的化学物质很敏感。此外，科学家可以将所有这些材料加工成各种结构。这种定制可以让研究人员创建专门的材料来检测特定的化学物质。

纳米硫化锌

建立一个更好的传感器的关键在于使传感材料从纳米颗粒中分离出来。不幸的是，制造一些最有前途的纳米颗粒是很有挑战性的。氢气和其他气体传感器已经使用硫化锌材料。以纳米颗粒形式生产硫化锌可以使它更便宜更有效。但是目前生产硫化锌纳米颗粒的过程涉及到非常高的温度、压力和有毒化学物质。

在美国能源部的橡树岭国家实验室的科学家（ORNL）调查了更便宜、更有效的纳米颗粒的生产工艺。由美国能源部的先进制造办公室和科学办公室资助的研究人员发现，微生物可以替代路径的forwardexternal链接提供。

不仅仅是细菌会做。科学家们用热，细菌通常生活在非常热的地方没有氧气。添加了含有锌和硫的廉价糖和化学物质后，细菌产生了大约四分之三的硫化锌纳米颗粒。这个过程比目前的方法便宜了90%。