神奇的智能线：可检测多种气体！

导读

近日，美国塔夫茨大学的工程师们开发出一种新的制造方法来创造染色的智能线。这些智能线在检测到多种气体时会改变颜色。将这些线编织成衣服，可在医疗、工作、军事和救援环境中提供一种可重用、可洗涤、便宜、安全的产品。

背景

与其他传统产业一样，智能化也是传统纺织产业的新兴发展趋势之一。智能织物，也称“电子织物”、“智能服装”，就是在这个背景下产生的一门新兴的前沿科技。它是电子、传感器、物联网、新材料等新科技与传统纺织技术融合的产物。

智能织物不仅可以由导电纤维、导电纱线、导电涂层、导电刺绣图案、导电叠片等各种导电材料制成，还可包含传感器、集成电路、LED、OLED、电池等各种电子器件。未来，智能衣服将为我们带来许多出乎意料的功能，例如显示、通信、储能、感知、供电等。

三种不同的织物能将由拉扯或轻拍的动作产生的能量转化为电能（图片来源：马萨诸塞大学安姆斯特分校）

弹性触敏纤维可作为人机接口使用（图片来源：北卡罗来纳州立大学）

能实现自供电、高度灵敏、可洗涤的智能织物（图片来源：美国化学学会）

将OLED集成到织物中变成可穿戴的显示器（图片来源：KAIST）

可同时从阳光和运动中获取能量为智能手机等电子产品供电的智能织物（图片来源：乔治亚理工学院）

形状可定制的织物超级电容（图片来源：新加坡南洋理工大学）

具有通信功能的智能织物（图片来源：MIT）

创新

今天，笔者要为大家介绍一种新的智能织物。这种智能织物探测器可用于公共健康、工作场所安全、军事和救援等领域，并且无需设备和专业化训练。

近日，美国塔夫茨大学（Tufts University）的工程师们开发出一种新的制造方法来创造染色的线。这些线在检测到多种气体时会改变颜色。研究人员们演示了这些线能够通过视觉解读，甚至通过智能手机摄像头更精准地解读，检测到低至百万分之五十的颜色变化。他们称，将这些可检测气体的智能线编织成衣服，可在医疗、工作、军事和救援环境中提供一种可重用、可洗涤、便宜、安全的产品。

这项研究于4月4日发表在《科学报告（Scientific Reports）》期刊上。这篇论文描述了制造方法，以及可拓展至各种染料和检测复杂气体混合物的能力。

技术

这项研究采用了一种基于锰的染料MnTPP、甲基红、溴麝香草酚蓝来论证这个概念。MnTPP和溴麝香草酚蓝可检测氨气，而甲基红可检测氯化氢，这些气体通常会在清洁用品、化肥、化学物质和材料生产时释放出来。

下图所示：具有感测功能的线通过溴麝香草酚蓝（顶部的线）、甲基红（中间的线）以及MnTPP（底部的线）制备，暴露于0 ppm (左边部分) 、50 ppm (中间部分) 和1000 ppm (右边部分)的氨气中。

（图片来源：塔夫茨大学）

研究人员通过三个步骤的处理将染料“捕捉”到线中。首先，这种线被浸入染料中，然后用乙酸处理，使表面变粗糙并使纤维膨胀，这样会使染料与线之间产生更多的相互结合作用。最后，线会通过聚二甲硅氧烷（PDMS）处理，围绕着线和染料创造出一层柔性的物理密封，它也可防水以及防止染料在清洗期间被过滤掉。重要的是，PDMS 也是透气的，使得分析物可以接触到光学染料。

可感知气体、可洗涤的智能线的制作方案（图片来源：参考资料【2】）

塔夫茨大学工学院教授、纳米实验室领头人、这篇论文的通讯作者 Sameer Sonkusale 表示：“我们使用的染料有不同的工作方式，所以我们可以检测出具有不同化学物质的气体。” Sonkusale 的团队采用简单的染料检测酸性或碱性气体。他说：“然而，因为我们采用一种方法将染料有效地捕捉到线中，而不是过多地依赖于化学键合，所以我们拥有更多的灵活性，采用具有一系列功能性化学物质的染料来检测不同种气体。”

受试染料的颜色变化，是以一种与气体浓度成比例的方式，就像采用光谱法测量一样。精确度处于光谱仪和人眼之间，因此可采用智能手机读出数字并量化颜色改变，或者通过多条线和多种染料来解读颜色特征。Sonkusale 表示：“这将使我们可扩大规模至一次测量许多分析物，或者通过独特的比色特征来区分分析物。”

可感知气体、可洗涤的智能线的概念图（图片来源：参考资料【2】）

价值

研究人员们称，将气体检测功能集成到织物中，不仅不会失去传统电子设备检测挥发性气体的精准度，而且无需设备以及专业化训练就可以获得读数。该方案使这项技术可供一般人或者低资源社区使用，他们将从织物提供的信息中受益。

这些线甚至可在水下工作，检测到溶解的氨气。论文领导作者、塔夫茨大学化学与生物工程系研究生 Rachel Owyeung 表示：“PDMS 密封剂是防水的，能让水脱离线，但是溶解的气体却仍可到达染料，从而被计量出来。作为溶解气体的传感器，我们设想智能织物或将应用于油气勘探期间，检测二氧化碳或者其他挥发性有机化合物。”

研究人员们称，因为反复洗涤或在水下使用不会稀释染料，所以这些线可以经受得住连续多次的可计量的检测。

关键字

智能织物、传感器、气体检测

参考资料

【1】https://now.tufts.edu/news-releases/s-sew-smart-scientists-invent-threads-detect-gases-when-woven-clothing

【2】Rachel E. Owyeung, Matthew J. Panzer, Sameer R. Sonkusale. Colorimetric Gas Sensing Washable Threads for Smart Textiles. Scientific Reports, 2019; 9 (1) DOI: 10.1038/s41598-019-42054-8

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