КТО КОГО ПЕРЕНЮХАЕТ?
В ННГУ разработали устройство, способное обнаруживать и распознавать запахи
«Электронный нос» — слыхали такой? Нюхает лучше человеческого. Много где может пригодиться. И не подведёт в тех случаях, где наше обоняние бессильно. Уникальную установку, разработанную нижегородскими учёными, и возможности её использования журналистам показали в плазмохимической лаборатории химфака ННГУ им. Лобачевского.
Принтер, да без чернил
— В России создана уникальная установка, которая позволяет в режиме 3-D-принтера создавать сложные неорганические соединения с различным функционалом, — рассказывает один из участников проекта «Электронный нос» Леонид Мочалов. — Вживую установка работает у вас за спиной. Там горит плазма. Все оборачиваются назад, где горит плазма. Разобраться, для чего плазма и где здесь, собственно, «электронный нос» нюхает то, что недоступно человеку, с ходу не удаётся. Не спешим, давайте по порядку. Как работает наш родной человеческий нюх? Вот молекула вещества попала в нос. Вступает в действие обонятельный эпителий. Они взаимодействуют, результат взаимодействия передаётся нервным импульсом в мозг. «Это чеснок», — говорит мозг. «Электронный нос» работает похожим образом. Молекула вещества, например, газа, попадает в установку с датчиком и прилипает к поверхности электронного датчика, в которую внедрены специальные вещества. Взаимодействие с молекулой газа изменяет свойства этих веществ, например, физическое сопротивление, и это можно зафиксировать и передать дальше. Только вместо нервного импульса — цифровой сигнал. Сигнал анализируется аппаратурой, аппаратура выдаёт результат: «Утечка газа». Вот этими датчиками, реагирующими на различные газы, и занимается лаборатория. Её сотрудники исследуют, как работает «электронный нос», если в датчиках используются чувствительные высокочистые неорганические материалы нового поколения. — Это могут быть оксид цинка или нитрид галлия, то есть различные композиции, которые хорошо меняют свои электрофизические свойства при сорбции (поглощении. — Ред.) молекул — поясняет Александр Князев, заведующий кафедрой аналитической и медицинской химии химического факультета. — Соединения эти известны, и надо приготовить нужные модификации в нужном составе, чтобы полученные вещества взаимодействовали с молекулами. Возвращаемся к плазме и 3D-принтеру. В этом принтере нет чернил. Вместо них применены различные высокочистые неорганические вещества. Они загружаются в специальные ёмкости. А в качестве элемента печатающей головки здесь используется плазмохимический реактор. Тот самый, в котором горит плазма. Таким образом можно создавать любые необходимые неорганические материалы для различных применений и печатать их на подложке. — Отсюда испаряются элементы, цинк, свинец, — показывают сотрудники лаборатории, — в плазме «собирается» нужное химическое соединение и «садится» на поверхность подложки. Таким образом с помощью плазмохимии из исходных элементов можно собрать любую химическую формулу. Варьируя состав, мы получаем датчики, распознающие разные газы.
В реактор можно заглянуть
К реактору с помощью световода и специального «глаза» подключен ноутбук, который позволяет наблюдать, что там происходит. Правда, несведущий человек ничего не поймёт, увидев некий график с набором разноцветных линий разной длины. Однако эти линии — контроль за процессами в плазме. Они показывают, какие вещества мы получим на подложке. Или что напечатает принтер. — То есть в отличие от классической химии мы совершенно визуально представляем, что происходит в реакторе, — резюмирует Леонид Мочалов. А давайте-ка сравним электронный и человеческий носы. Всё-таки человек — венец творения! Но вот беда: налетел ковид, и что-то произошло с носом: персик пахнет падалью. Человек устаёт, болеет, на тонкость обоняния влияет множество факторов. Наконец, мы не все запахи чувствуем. Например, мы не чувствуем запах некоторых газов, метана и пропана. Последний — как раз тот газ, который горит в наших газовых плитах. Когда в доме слышится запах газа, это пахнет не пропан, а специальная добавка меркаптан. Это такое соединение, которое добавляют в качестве меры безопасности, чтобы мы не прозевали утечку. Иначе последствия могут быть самыми неприятными. То же самое — с угарным газом. В бане легко угореть, потому что человеческий нос не чувствует запах угарного газа, СО (так он химически обозначается). Запаха нет — а отёк лёгких наступил. В этих случаях «электронный нос» — это по сути датчик обнаружения газа. Если подобных датчиков сделать очень много, например, на 100 газов, вот это будет «электронный нос», различающий разные запахи.
А в трубу полезешь?
Насколько более чувствителен «электронный нос» по сравнению с человеческим носом? Как правило, материалы более чувствительны на порядок. Важно и то, что они могут работать при различных температурах, не всегда комфортных для человека, или в условиях сильных загрязнений. Если мы не хотим пробираться к какой-то трубе, чтобы понюхать, чем там из неё пахнет, эту функцию выполнит такого рода датчик. А уж для удалённого мониторинга, когда необходимо отслеживать обстановку в море или в лесу, — нет ли пожаров или утечек — такое устройство просто незаменимо. Вариантов применения «электронных носов» очень много. Могут предупреждать о возможности техногенной катастрофы. Можно датчики поставить на газовую трубу через каждые 200 метров и мониторить, какой первый сработал, там и искать утечку. Загрязнение воздуха — болезненная тема. Машин в городах всё больше, значит, и выхлопы всё сильней влияют на качество воздуха. Что происходит с выбросами вредных веществ в атмосферу, мы чаще узнаём с чужих слов. Можно нацелить датчики на распознавание таких вредных для человека веществ, и, повешенные за окном, они сослужат хорошую службу по защите наших органов дыхания от техногенных напастей. А представьте «умный дом» — это автоматическая система управления всеми техническими устройствами в квартире или отдельно стоящем доме, от отопления до освещения. «Электронный нос», встроенный в систему «умного дома», вовремя заметит ту же утечку газа и дистанционно сообщит об этом. Датчики точно нужны в бане — чтобы не угореть — и около газового оборудования. Датчики можно использовать в криминалистике вместо служебных собак, особенно когда важно почувствовать газы, токсичные для животных, — аммиак и тот же угарный газ. Системы, реагирующие, например, на наркотик, спрятанный в кармане, или на взрывчатые вещества, незаменимы в аэропортах или торговых центрах, где огромный поток людей. В шахтах, где возможны скопления взрывоопасного метана в пустотах, датчик может спасти десятки человеческих жизней.
Светлана КУКИНА.
Фото предоставлены пресс-службой ННГУ.
