Når man syntetiserer kemikalier, kan stationære sensorer indsamle og kommunikere detaljerede data inden for et reaktorsystem. Fysisk installerede sensorer når deres begrænsninger, når det kommer til kortlægningskoncentrationer inden for en fluid, der flyder gennem vanskelige tilgængelige områder-især inden for lange, smalle rør.
Mens sensorer kan placeres på reaktorens omkreds i en industriel omgivelse, ville suspenderende sensorer i midten af et rør forstyrre strømmen. I en medicinsk anvendelse, såsom kortlægning af kemiske koncentrationer inden for tarmene til at præcisere intern blødning, bliver implanterede sensorer upraktiske.
En ny ramme optimerer brugen af tidsbevidst partikelformige sensorer (TAPS)-en lille sensor, der bevæger sig gennem systemet og husker, når det møder et målkemikalie-at kortlægge disse ukablede områder.
Simuleringer viser, at når de frigives i tusinder, kan sensorerne kollektivt kortlægge hele koncentrationsprofilen af disse tidligere utilgængelige systemer. University of Michigan -undersøgelsen offentliggøres i AICHE JOURNAL.
“Vi viser her, at selv med grundlæggende funktioner for hver sensor, med styrke i antal, opnår de noget sammen, der ellers er meget svært at gøre,” sagde Albert Liu, adjunkt i kemiteknik, makromolekylær videnskab og teknik og materialevidenskab og Ingeniørvidenskab hos UM og tilsvarende forfatter af undersøgelsen.
På kun ca. 100 mikrometer-om bredden af et menneskeligt hår-er disse sensorer i partikelstore sensorer små nok til at suspendere i en væske uden signifikant at forstyrre strømningsmønsteret og stort nok til at blive hentet ved filtrering til analyse.
Sensorstørrelse og enkelhed hjælper også med at reducere omkostningerne sammenlignet med traditionelle integrerede kredsløbsbaserede sensorer, som i det væsentlige er krympet computere. Millioner af disse sensorer kan fremstilles på en enkelt siliciumskive – en skive ca. 12 tommer eller mindre i diameter.
Sensorerne holder styr på tid ved hjælp af en række memristorer – elektriske komponenter, der gemmer information ved hjælp af elektrisk modstand. Memristors, når de er arrangeret i et parallelt kredsløb, kan fungere som et analogt ur. Når timeren starter, slukkes hver memristor i stigen en ad gangen med en kendt hastighed. Uret tikker, indtil et målkemisk skifter en switch i sensoren, der lukker timeren.
Når det er hentet, angiver antallet af memristorer, der er slukket, hvor meget tid der er gået, siden sensoren interagerede med kemikaliet.
“Det er en simpel mekanisme at omdanne tidsmæssig information til rumlig information,” sagde Liu.
Mens memristorer var genstand for denne undersøgelse, er systemdesignet bredt nok til at omfatte enhver tidsfølsom detektionsmetode.
Modeller fandt, at sensorens ydeevne var stærkt påvirket af faktorer som typen af kemisk, koncentrationsniveau, systemstørrelse og lang tid til at passere gennem systemet.
“Vores simulering afspejlede tydeligt, at sensorer skal tilpasses deres miljø. Der er en slags fingeraftryk til hvert system, der ændrer det optimale antal sensorer og det senserende materiale, der bruges til at detektere målkemikaliet,” sagde Matthew Manion, en doktorand for Kemisk teknik ved UM og første forfatter af undersøgelsen.
For at håndtere forskellene mellem systemer udviklede forskerne en optimeringsordning til at hjælpe ingeniører med at designe de bedste sensorer for hvert unikt system.
Efterhånden som teknologien fortsætter med at udvikle sig, håber forskerteamet at tilføje mere rumlig opløsning for at forstå kemiske koncentrationer i tre dimensioner. I øjeblikket tilbyder metoden tidsopløsning af væske, der bevæger sig gennem et rør – genererer et koncentrationskort over kemikalierne inde i røret.
Rammerne for at implementere tusinder af sensorer sikrer, at små forbedringer på sensorniveauet forbedrer kemisk koncentrationskortlægning med spring og grænser.
Samlet udfører sensorerne nye funktioner – i det væsentlige er systemet meget mere dygtige end summen af dets dele.
Forskerne kunne yderligere udnytte sensorernes kollektive nye egenskaber ved at gøre det muligt for partikler at kommunikere med hinanden.
“I denne undersøgelse kommunikerer individuelle partikler endnu ikke med hinanden. En masse fremvoksende adfærd er afhængig af partikel til partikelkommunikation. Når du har det, kommer ikke-lineær skalering af sådanne distribuerede partikelbaserede systemer virkelig levende,” sagde Liu.