科学家们为安全装置制造了防火传感器。

科学家们为安全装置制造了防火传感器。

想象一个即使是最强烈的火灾也能承受的装置,这样当消防员被固定在工作岗位上时,它也能自动向其他人发出信号。

加州大学洛杉矶分校的研究人员和其他两所大学的同事设计了第一个阻燃、自动灭火的运动传感器和发电机。该装置的尺寸为四分之一,可以嵌入消防员、石油钻工或其他工作涉及极端温度或恶劣环境的人员穿的鞋或衣服中。

这项研究发表在《纳米能源》杂志上,由加州大学洛杉矶分校(UCLA)的明基洪博士(Dr.Myung Ki Hong)领导,他是加州大学洛杉矶分校(UCLA)加州纳米系统研究所(California Nanosystems Institute)的一名成员。

自供电传感器是一种摩擦式纳米发电机。当一种材料与另一种材料摩擦时,摩擦电荷通过电子交换产生能量——在这种情况下,设备本身以及穿着者的衣服或皮肤,或者设备和地面。这种现象与你用脚摩擦地毯后触摸门把手时产生电击的现象相同。

这个被科学家们称为frteng(阻燃摩擦电纳米发电机)的装置可以检测出佩戴者何时处于危险或残疾状态,因为它可以感知行走、跑步、跳跃和静止之间的区别。

“不同的运动产生不同电压和电流的电信号,”加州大学洛杉矶分校的助理研究员、该研究的合著者Maher El Kady说。“这些不同的电流使我们能够识别是否有人在移动,以及如何移动——例如,该装置可以集成到消防员的鞋子中,并在紧急情况下无线发送帮助信号。”

摩擦学纳米发电机已经存在,但由于它们使用易燃塑料和纺织品等材料,目前的模型无法承受火灾或极端温度,Kaner说,他同时也是化学和生物化学以及材料科学和工程方面的杰出教授。

为了克服这个障碍,这个新装置是由研究人员发明的碳气凝胶制成的。气凝胶是非常轻的-95%的体积是空气-并且在高温下稳定,这使得它非常适合用于阻燃设备。

ElKady说:“碳气凝胶能够有效地导电,并且含有对环境无害的材料。”“因为气凝胶很轻,佩戴者甚至感觉不到设备。”

为了形成气凝胶,研究人员将两种化学物质甲醛和间苯二酚与聚丙烯腈纤维和氧化石墨烯片混合,这些纳米片仅为纳米厚——纳米等于十亿分之一米,或约1/第七万五千人头发的宽度,以形成凝胶。纳米纤维和纳米片为超轻材料提供了支撑。

这种新装置是由一种碳气凝胶制成的,它非常轻,在高温下也很稳定,非常适合在极端条件下使用。

然后,他们将凝胶干燥,以除去液体含量,并将其加热到充满氢气的小腔室中,留下一种耐用但重量轻的碳气凝胶纳米复合材料。

该研究的第一作者、麦克马斯特大学的访问学者AbdelsalamAhmed说:“碳气凝胶利用摩擦充电作为运动传感器和发电机。”“与传统的依靠电池供电的传感器不同,新设备可以无限期运行,而无需任何电源。”

为了测试该装置的耐火性,科学家们将其暴露在丁烷火焰中90秒。他们发现它不仅没有使火蔓延,而且是自动灭火的。而且,即使在200摄氏度的温度下,该装置的结构仍然保持不变,其电输出也保持稳定。在那个温度下,大多数传统的摩擦电子设备都会失去性能,甚至着火,凯恩说。

埃尔卡迪说,这种新装置还可以用于太空任务,例如追踪宇航员的生命体征或产生应急电源。极端温度通常会阻止在太空飞行中使用其他电子设备。

该研究的其他合著者包括麻省理工大学穆尼(MIT Muni),加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究生;麦克马斯特大学(McMaster University)的伊斯兰哈桑(Islam Hassan)、艾曼内根(Ayman Negm)和庞纳姆巴拉姆拉维(Ponnambalam Ravi Selvaganapathy);布拉格化学与技术大学(University of Chemistry and Technology

这项研究得到了纳米技术能源公司的支持,该公司生产石墨烯、氧化石墨烯和石墨烯超级电池,并从加州大学洛杉矶分校的研究中分离出来。Kaner是公司科学委员会的主席,ElKady是公司的首席技术官。

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