Nowoczesne czujniki do wykrywania gazu i tkaniny generujące prąd opracowane przy użyciu nanocząstek to tematy badawcze, nad którymi pracują Marta Fiedot i Olga Rac, doktorantki na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki. W grudniu za swoją pracę zostały nagrodzone stypendiami Ministra Nauki

Młode badaczki na co dzień pracują pod opieką prof. Heleny Teterycz w Laboratorium diagnostyki czujników chemicznych i technologii nanostruktur znajdującym się w kampusie przy ul. Długiej.

Czujniki monitorują i ostrzegają

W laboratorium prowadzone są m.in. prace nad czujnikami służącymi do detekcji różnego rodzaju niebezpiecznych gazów. Marta Fiedot specjalizuje się w czujnikach wykrywających chlor, czyli gaz, który przy dużym stężeniu może doprowadzić do śmierci, a w swoich badaniach współpracuje z wrocławskim Miejskim Przedsiębiorstwem Wodociągów i Kanalizacji.

– Chlor jest gazem bardzo niebezpiecznym, ale póki jest go mało, to jest dla nas niegroźny i czujemy jego zapach. Przy dużym stężeniu przestaje być jednak wyczuwalny i wtedy należy zacząć się martwić, bo bez specjalnych czujników nie jesteśmy w stanie go wykryć – mówi badaczka.

We Wrocławiu największym zakładem posiadającym bardzo duże ilości chloru jest właśnie MPWiK. – Oczywiście firma ma różnego rodzaju czujniki, ale nie do końca działają one dobrze przy dużych zmianach wilgotności i temperatury. Dlatego wspólnie próbujemy skonstruować takie czujniki, które mogłyby sprostać tym trudnym warunkom – dodaje.

Opracowany przez Martę Fiedot czujnik jest wielkości zapałki. Składa się z płytki ceramicznej, na której zostały umieszczone elektrody odprowadzające i doprowadzające sygnał elektroniczny do warstwy gazoczułej. To co go wyróżnia na tle innych urządzeń, to wykorzystanie w jego budowie nanocząstek.

– W typowym czujniku warstwą, która - mówiąc kolokwialnie - „czuje” gaz, są różnego rodzaju materiały zbudowane z tlenków. My zajmujemy się szeroko pojętą nanotechnologią i domieszkujemy tlenki różnego rodzaju nanocząstkami. Wszystko po to, by odpowiadały one szybciej i bardziej selektywnie. Do czujników chloru stosujemy nanocząstki platyny, złota i srebra – tłumaczy doktorantka.

W warunkach laboratoryjnych wykrywalność gazów jest stuprocentowa. Także testy przeprowadzone w magazynach MPWiK zakończyły się sukcesem. – Pierwsze wyniki są bardzo dobre, ale wiadomo, że cały proces trzeba jeszcze zoptymalizować i właśnie teraz pracujemy nad obudową czujnika. Wszystko jest obecnie w fazie testów i potrzeba jeszcze trochę czasu, by powstał produkt, z którym można wyjść do konsumenta – podkreśla.

Jak wykazały przeprowadzone już badania rynku, zapotrzebowanie na tego typu czujniki jest duże. – Będąc laureatką programu „Grant Plus”, współpracowałam nie tylko z MPWiK, ale także z trzema firmami czujnikowymi. Okazuje się, że jeśli chodzi o czujniki chloru, to istnieje na rynku nisza, którą można wypełnić. Ważne, że szacowany koszt opracowywanego miernika jest konkurencyjny w porównaniu z obecnymi cenami – zaznacza Marta Fiedot.

Ubrania naładują baterie i zabiją bakterie

Nanocząstki mają obecnie zastosowanie nie tylko przy konstruowaniu nowoczesnych czujników, ale mogą być także wykorzystywane w przemyśle tekstylnym. Tymi badaniami zajmuje się Olga Rac, która nanocząstki m.in. złota i srebra wykorzystuje do modyfikacji włókien celulozowychi poliakrylonitrylowych.

– Wybrałam je, bo to właśnie z nich najczęściej wykonuje się ubrania. Celem moim badań jest uzyskanie włókien, które będą miały dobrą przewodność elektryczną. Po pokryciu ich tlenkiem cynku powstałby materiał, który pod wpływem naprężeń generowałby prąd. Wówczas na ubraniu moglibyśmy montować różnego rodzaju elementy elektroniczne, które ładowałyby się podczas naszego ruchu – tłumaczy Olga Rac.

Materiały generujące prąd mogłyby znaleźć zastosowanie zarówno w przemyśle komercyjnym np. zasilając niesiony odtwarzacz MP3, ale także w przemyśle wojskowym. – Wspólnie z wojskiem wystąpiliśmy już o grant badawczy, którego celem byłoby osadzanie takich nanogeneratorów na mundurach żołnierzy. Sprzęt używany przez wojskowych wymaga energii elektrycznej, a baterie są często większe od samych urządzeń. Tego typu materiały mogłyby rozwiązać ten problem – mówi badaczka.

Chociaż na rynku są już dostępne kombinezony połączone z różnego rodzaju elektroniką, to jednak zastosowano w nich metalową przędzę, co w efekcie sprawia, że materiał traci swoją elastyczność. – My opracowaliśmy nową metodę syntezy nanocząstek bezpośrednio w masie przędzalniczej. Teraz musimy znaleźć sposób, aby we włóknach znalazło się tyle nanocząstek, by przewodziły prąd, a jednocześnie, żeby materiał nadal był elastyczny – dodaje.

Co ciekawe tlenek cynku ma także właściwości antybakteryjne, dlatego pokryte nim materiały miałyby także zastosowanie w służbie zdrowie. Przeprowadzone badania wykazały, że zabijają one 100 proc. bakterii Staphylococcus  aureus (gronkowiec złocisty) i Escherichia coli (pałeczki okrężnicy).

W pracach nad materiałami antybakteryjnymi nasza uczelnia współpracuje z Politechniką Łódzką.  Obecnie prowadzone są rozmowy z firmami w celu komercjalizacji wyników badań. Jeśli natomiast chodzi o opracowywane na PWr włókna przewodzące prąd, to nie są one jeszcze nigdzie stosowane.
– Choć w teorii badania Marty i moje dotyczą innych dziedzin, to w praktyce się zazębiają. Gdyby połączyć tekstylia przewodzące prąd z czujnikami można by uzyskać niezwykle ciekawy materiał lub np. tekstylne czujniki – zaznacza Olga Rac.

Stypendium ministra nauki

W połowie grudnia doktorantki zostały nagrodzone stypendiami Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego w wysokości 25 tys. zł za wybitne osiągnięcia naukowe. Nie jest to pierwsze wyróżnienie przyznane przez resort nauki młodym badaczkom. Obie były także laureatkami stypendiów ministerialnych jeszcze na studiach. 

– Stypendium pomaga i motywuje do dalszej pracy. W przypadku grantu pieniądze są przeznaczane na badania, a tu część środków mogę przeznaczyć na prywatne cele – mówi Marta Fiedot, a Olga Rac dodaje, że to także miła nagroda za ciężką pracę. – Dzięki niej możemy się skupić na badaniach – podkreśla.

Michał Ciepielski