Wearable gas sensor could revolutionize health or environmental monitoring / Il sensore di gas indossabile potrebbe rivoluzionare il monitoraggio della salute o dell'ambiente
Wearable gas sensor could revolutionize health or environmental monitoring / Il sensore di gas indossabile potrebbe rivoluzionare il monitoraggio della salute o dell'ambiente
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
The gas sensor could be worn on the arm to monitor for
gases, chemicals and more. / Il sensore di gas potrebbe essere indossato sul braccio per monitorare gas, sostanze chimiche e altroSource: Penn State
Researchers have developed a new wearable gas sensor for environmental and health monitoring that uses a self-heating mechanism for enhanced sensitivity.
The sensor, developed by Penn State and Northeastern University, allows for quick recovery and reuse of the device, does not require an external heater and is cheap to manufacture.
"People like to use nanomaterials for sensing because their large surface-to-volume ratio makes them highly sensitive," said Huanyu Cheng, assistant professor of engineering science and mechanics and materials science and engineering at Penn State. "The problem is the nanomaterial is not something we can easily hook up to with wires to receive the signal, necessitating the need for something called interdigitated electrodes, which are like the digits on your hand."
How they did it
The team used a laser to pattern a porous single line of nanomaterial for sensors that detect gas, biomolecules and, in the future, chemicals. For the non-sensing portion of the device, a series of serpentine lines were coated with silver that when an electrical current is applied, the gas sensing region will locally heat up due to larger electrical resistance.
This eliminated the need for a separate heater and the serpentine lines allow the device to stretch to adjust to the flexing of the body for wearable sensors.
Researchers used reduced graphene and molybdenum disulfide for the nanomaterials or a metal oxide composite consisting of a core of zinc oxide and a shell of copper oxide, representing the two classes of widely used gas sensor materials.
"Using a CO2 laser, often found in machine shops, we can easily make multiple sensors on our platform," Cheng said. "We plan to have tens to a hundred sensors, each selective to a different molecule, like an electronic nose, to decode multiple components in a complex mixture."
The sensors could be used by the military to detect chemical or biological agents that can damage nerves or lungs. It could also be used for industrial markets for workers that are in potentially volatile areas where gas or chemical leaks may cause risk. The sensor may also have uses in the healthcare field for patient health monitoring, researchers said.
The next steps are to create high-density arrays and to improve the signal as well as make the sensors more selective. Researchers said this might involve using machine learning to identify the distinct signals of individual molecules on the platform.
ITALIANO
I ricercatori hanno sviluppato un nuovo sensore di gas indossabile per il monitoraggio ambientale e sanitario che utilizza un meccanismo di autoriscaldamento per una maggiore sensibilità.
Il sensore, sviluppato da Penn State e Northeastern University, consente un rapido recupero e riutilizzo del dispositivo, non richiede un riscaldatore esterno ed è economico da produrre.
"Alla gente piace usare i nanomateriali per il rilevamento perché il loro ampio rapporto superficie-volume li rende estremamente sensibili", ha affermato Huanyu Cheng, assistente professore di ingegneria e meccanica e scienza dei materiali e ingegneria presso Penn State. "Il problema è che il nanomateriale non è qualcosa a cui possiamo facilmente collegarci con i fili per ricevere il segnale, richiedendo la necessità di qualcosa chiamato elettrodi interdigitati, che sono come le cifre sulla tua mano."
Come hanno fatto
Il gruppo ha utilizzato un laser per modellare una singola linea porosa di nanomateriale per sensori che rilevano gas, biomolecole e, in futuro, sostanze chimiche. Per la parte non sensibile del dispositivo, una serie di linee a serpentina sono state rivestite di argento che quando viene applicata una corrente elettrica causa alla regione di rilevamento del gas di riscaldarsi localmente a causa della maggiore resistenza elettrica.
Ciò ha eliminato la necessità di un riscaldatore separato e le linee a serpentina consentono al dispositivo di allungarsi per adattarsi alla flessione del corpo per i sensori indossabili.
I ricercatori hanno utilizzato un ridotto disolfuro di grafene e molibdeno per i nanomateriali o un composito di ossido di metallo costituito da un nucleo di ossido di zinco e un guscio di ossido di rame, che rappresentano le due classi di materiali per sensori di gas ampiamente utilizzati.
"Utilizzando un laser a CO2, spesso presente nelle officine meccaniche, possiamo facilmente realizzare più sensori sulla nostra piattaforma", ha affermato Cheng. "Abbiamo in programma di avere da decine a cento sensori, ognuno selettivo per una molecola diversa, come un naso elettronico, per decodificare più componenti in una miscela complessa".
I sensori potrebbero essere utilizzati dai militari per rilevare agenti chimici o biologici che possono danneggiare nervi o polmoni. Potrebbe anche essere utilizzato per i mercati industriali per i lavoratori che si trovano in aree potenzialmente volatili in cui le perdite di gas o sostanze chimiche possono causare rischi. Il sensore potrebbe anche essere utilizzato nel campo sanitario per il monitoraggio della salute dei pazienti, hanno detto i ricercatori.
I passi successivi sono la creazione di array ad alta densità e il miglioramento del segnale, nonché di rendere i sensori più selettivi. I ricercatori hanno affermato che ciò potrebbe comportare l'uso dell'apprendimento automatico per identificare i segnali distinti delle singole molecole sulla piattaforma.
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