Питерские ученые изобрели универсальный портативный нано-индикатор температуры

Ученые из ИТМО создали универсальный портативный индикатор температуры с широким диапазоном (от -68 °C до +19 °C). Его можно применять, чтобы контролировать условия хранения химических, фармацевтических и пищевых продуктов.

Некоторые продукты, химические реактивы и лекарства очень чувствительны к изменению температуры ― причем роль играют даже малейшие изменения в диапазоне низких температур. Такую продукцию нужно перевозить и хранить в определенных условиях, ведь если нарушить температурный режим, это может привести к росту бактерий, и продукт попросту испортится. Следить за условиями хранения помогают индикаторы температуры, но не все датчики, представленные на рынке, охватывают достаточно широкий низкотемпературный диапазон. К тому же, они дорого стоят и не всегда точно реагируют на изменение температуры.

Сотрудники химико-биологического кластера ИТМО разработали наноструктурированный индикатор температуры из углеродных точек, синтезированных на поверхности нанокристаллической целлюлозы, и смеси диметилсульфоксида и воды.

Углеродные точки применяются в разных областях науки. Их основное свойство — флуоресценция, то есть способность светиться под действием электромагнитного излучения с различными длинами волн. Оно помогает визуализировать химические или биологические процессы, и мы используем как раз этот эффект. Также в датчике применяется нанокристаллическая целлюлоза — это дешевый, биосовместимый и экологичный материал, но мы использовали его по другой причине. Обычно точки синтезируют из малых органических молекул, например лимонной кислоты, глюкозы или переработанных продуктов, а затем отдельно смешивают с носителем для получения материалов в виде пленок. В нашем случае с помощью целлюлозы происходит два процесса в одном месте: она служит и носителем точек, и источником углерода для них.

— рассказала первый автор статьи, аспирантка третьего курса химико-биологического кластера Анастасия Навроцкая.

Благодаря свойству углеродных точек реагировать на изменения в окружающей среде, а также экологичности и экономичности нанокристаллической целлюлозы, исследователям удалось сделать более точный и дешевый инструмент для определения повышения температуры окружающей среды. Более того, раствор диметилсульфоксида и воды позволяет датчику эффективно работать при очень низких температурах и в широком диапазоне — от -68 °C до +19 °C.

Неожиданное открытие во время исследования

Но идея создать индикатор температуры появилась не сразу. Изначально руководители этой работы ― профессор Евгения Кумачева из Университета Торонто и доктор химических наук Елена Кривошапкина из Университета ИТМО ― поставили другую задачу. Они хотели получить углеродные точки на поверхности полимерных структур с флуоресценцией в различных диапазонах видимого спектра, чтобы создавать разноцветные изображения для защиты продукции от подделок методом 3D-печати. Так как получить яркие изображения долгое время не получалось, проект планировали закрыть. Но обнаруженный фундаментальный эффект для углеродных точек позволил найти практическое применение в совершенно новой области.

Система на основе растворителей диметилсульфоксида и воды давно привлекает внимание ученых. Чистые компоненты по отдельности имеют температуру плавления 0 °C для воды и +19 °C для диметилсульфоксида. Но при их смешении свойства системы очень сильно меняются, и температура плавления смеси воды и диметилсульфоксида может достигать -70 °C. Этот эффект широко используется, например, в биологии. Система действует как криопротектор клеток и сохраняет их мембрану при заморозке и разморозке. Именно эти свойства смеси привели к открытию нелинейной зависимости оптических свойств углеродных точек в зависимости от состава растворителя. Оказалось, что в растворе с другой полярностью они могут светиться в более дальних диапазонах — оранжевом и красном, если на них направить зеленый свет ― например, сделав это с помощью лазерной указки.

Результат и дальнейшие перспективы

В результате ученые разработали датчик, который состоит из считывателя с электронной схемой и LED-лампой зеленого цвета и двух ячеек. В одной из них хранится сухая пленка из нанокристаллической целлюлозы, на поверхности которой находятся углеродные точки, а во второй — раствор диметилсульфоксида и воды. Соотношение жидкостей зависит от температуры, которую нужно соблюдать. Например, если в помещении надо сохранить -68 °C, тогда в растворе будет 33% воды, а если нужен другой диапазон температур, объем воды изменится. Когда температурный режим нарушается, система «диметилсульфоксид/вода» плавится и проливается на пленку с углеродными точками, в результате чего при включении зеленой LED-лампы считывателя точки начинают светиться в оранжевом диапазоне. Таким образом ученые могут понять, повысилась ли температура или осталась на прежнем уровне.

«Несмотря на то, что ячейки с углеродными точками и раствором в измерителе можно использовать только один раз, это можно рассмотреть как преимущество устройства. Если однажды система "диметилсульфоксид/вода" расплавится и пропитает пленку с углеродными точками, то вернуть систему в исходное состояние уже невозможно. Так мы однозначно поймем, что температура в помещении изменилась», — добавила Анастасия Навроцкая.

Датчик температуры, разработанный учеными, — уже готов, в будущем исследователи планируют подать патент на устройство и вывести его на рынок.

Источник: news.itmo.ru