А нюх как у собаки. Даже лучше

Учёные из Университета Лобачевского разработали установку для плазмо-химического синтеза новых материалов. Например, с её помощью можно создавать датчики, получившие название «электронного носа». Как всё это работает и что может учуять такой химический «нос» рассказывает Леонид Александрович Мочалов, кандидат химических наук, доцент, старший научный сотрудник кафедры аналитической и медицинской химии Нижегородского государственного университета им. Лобачевского.

—  Леонид Александрович, я так понимаю, что эта установка — предмет вашей научной гордости. Это так?

— Не скрою — так. Сегодня в России создана уникальная технология, которая позволяет в режиме 3D-принтера создавать сложные неорганические соединения с различным функционалом. У этой установки, как и у любого принтера, «чернила» (высокочистые химические элементы) загружаются в специальные ёмкости, а в качестве «печатающей головки» используется плазмохимический реактор. Таким образом мы можем создавать любые необходимые нам материалы или те, которые были теоретически предсказаны.

— Что происходит внутри реактора?

— То, что происходит конкретно в этом реакторе, нам помогает увидеть система оптической эмиссионной диагностики. Специальный «глаз» по световоду соединён с компьютером, и мы видим образование набора линий, которые соответствуют состоянию возбуждённых атомов. Именно от взаимодействия атомов зависит, какой материал мы получим в данном конкретном случае.

Плазмохимический реактор вблизи. Фото Андрея Афанасьева.

В отличие от «классической» химии мы воочию представляем, что у нас происходит. То есть, данная установка позволяет принтировать сложные неорганические соединения для различных применений, получать материалы с различными оптическими, полупроводниковыми свойствами, различные наноструктуры, мимикрические материалы.

— В зависимости от задач они и выглядят по-разному?

— Да, материалы могут выглядеть по-разному, и «электронный нюх» — это только одно из возможных применений. Также с помощью этой установки можно получать так называемые 2D-материалы, которые сейчас очень популярны, и другие функциональные материалы для различных устройств. Например, можно делать планарные световоды. Зачем они нужны? Сегодня все слышали о необходимости создания квантовой электроники, в частности квантовых компьютеров. Такие материалы позволяют решать, в том числе, эти задачи.   

Также у нас имеется небольшая установка CVD (англ. Chemical vapor deposition, установка для химического осаждения из газовой фазы — Прим. ред.), где идёт не плазменное, а химическое инициирование. Так мы получаем материалы, необходимые для создания новых устройств.  

— Но вернёмся к «электронному носу». Чем он лучше человеческого?

— Такие датчики имеют целый ряд преимуществ. Во-первых, они на порядок чувствительнее, во-вторых, работают не только при комнатных, но и при повышенных температурах, в условиях сильных загрязнений. Кроме того, эти датчики интересны для удалённого мониторинга. Если нам необходимо держать под контролем текущую ситуацию, например, в океане или в лесу, смотреть состав газа, нет ли пожара или утечки, данное устройство совершенно незаменимо. Дистанционно они работают через интернет — передают сигналы, а датчики, фрагменты «электронного носа», реагируют на определённый газ, на разные молекулы, как и наш нос.

— То есть, они работают по принципу человеческого носа?

— Да, поэтому мы так его и называем. Наш нос работает так: вот в него попала молекула, прилипла к обонятельному эпителию, началось взаимодействие. Затем нервные импульсы передаются в мозг — так мы распознаём запах. Здесь всё аналогично: молекула попадает на датчик, который работает как обонятельный эпителий человека. Затем проходит цифровой сигнал, он анализируется системой, и мы видим результат на экране компьютера.

Газочувствительные наноструктурированные сенсоры электронного носа, разработанные на Кафедре аналитической и медицинской химии Нижегородского государственного университета им. Лобачевского. Фото Андрея Афанасьева.

В отличие от нашего носа такое устройство способно анализировать сложные соединения. Кроме того, недостаток нашего носа в том, что мы не всегда улавливаем запахи. Например, мы не чувствуем запах метана или пропана. Углеводороды для нас лишены запаха. Бытовой газ для нас имеет совсем другой запах, чем на самом деле: в него специально добавляют меркаптан, чтобы утечку газа мы могли как-то уловить. Иначе вы поднесёте спичку — и газ взорвется. То же самое с угарным газом. Почему люди угорают в бане? Они не чувствуют запах СО, а отёк легких всё равно наступает. А нашему датчику всё равно — он улавливает любые запахи и их сложные композиции.

— Можно ли использовать ваш «электронный нос» в криминалистике вместо служебных собак, которые, как известно, со временем заметно теряют нюх?

— Да, конечно. Собака — живое существо, поэтому для неё есть множество токсичных газов, например, угарный газ или аммиак. Можно использовать такие датчики в шахтах для диагностики возможных опасностей, как когда-то использовали канареек. Применений может быть бессчётное количество.

— Насколько оригинальна ваша работа?

— Конечно, в мире и в России есть ещё группы, которые разрабатывают «электронные носы», но возможны разные подходы. Можно создавать датчики из органических соединений. Но у таких датчиков есть недостаток: они быстро портятся, деградируют. Мы же используем неорганические соединения, которые намного более долговечны. Молекула газа прилипает к поверхности, меняется сопротивление материала, и это можно зафиксировать. Методов, подобных нашему, единицы.

Леонид Мочалов, к. х. н, доцент, старший научный сотрудник, и Екатерина Слаповская, студентка 4 курса Кафедры аналитической и медицинской химии -– участница проекта "Электронный нюх". Фото Андрея Афанасьева.

— Какие именно неорганические вещества вы используете для производства датчиков?

— Оксид цинка, оксид галлия, нитрит галлия, различные композиции, которые хорошо меняют свои электрофизические свойства при сорбции молекул. Эти соединения известны, но сложность в том, чтобы приготовить нужные модификации, взаимодействующие с теми или иными молекулами.

— Находят ли они практическое применение?

— Мы уже создаём опытные образцы устройства и испытываем их совместно с учёными из Томского университета. Наша задача — сделать химическую часть.

— Каким будет ваш датчик? Можно ли его, скажем, носить с собой?

— Датчик в дальнейшем будет выглядеть как небольшой прибор, который легко помещается в карман. Сейчас есть современные компактные датчики на нитраты: засунул в арбуз и увидел, есть ли они там и в каком количестве. Так и здесь датчик будет реагировать на сотни различных молекул. Можно будет, например, определять качество коньяка или парфюма в магазине.

— Случалось ли, что прибор не может определить запах?

— Такое бывает, если в базе его нет. Однако мы постоянно расширяем базу, прибор становится всё «умнее».

— Будут ли отличаться датчики в зависимости от поставленных задач?

— Именно так: чувствительная матрица может быть различна в зависимости от того, будем ли мы определять промышленные или дымовые выбросы, анализировать, насколько правильно идёт технологический процесс.

Эти датчики могут применяться и для предотвращения биологических угроз. Например, вполне возможно определение каких-то опасных заболеваний, скажем, того же коронавируса. Любая молекула, бактерия или вирус оставляет тепловой след. Она «садится» на датчик и начинает на нём разваливаться. Это и формирует тепловой след. Молекула уже разложилась, а след остаётся — так мы можем даже спустя время анализировать нужную нам информацию. Получается, что вируса нет, а память о нём живет.