Современные материалы для создания гибких мультисенсорных систем

СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГИБКИХ МУЛЬТИСЕНСОРНЫХ СИСТЕМ

НАПРАВЛЕНИЕ: НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, НАНОТЕХНОЛОГИИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

ПАРТНЕРЫ

Маркетолог-технолог

Ассистент

Химик

Соня Ломоносова

Кирилл Чухров

Саяна Павлова

НАША КОМАНДА

Анастасия Лакеева

Програмист

Химик

Руководитель

Химик

Вероника Сгибнева

Михаил Жуков

Алмаз Кильметов

Саша Данцева

Программист

ПОТЕНЦИАЛ (мВ)

ВРЕМЯ (с)

Ионный анализ — в лаборатории. Нужны компактные, лёгкие, гибкие датчики

Высокие издержки на измерения и техобслуживание делают рутинный ионный анализ невыгодным при массовых исследованиях

Нужны компактные девайсы для on‑site и in‑situ анализа в точке отбора пробы — в том числе для встраивания в закрытые жидкостные системы

СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПРОБЛЕМЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ

СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

ЭКОЛОГИЯ

МЕДИЦИНА

ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

ГИДРОПОНИКА

ВОДООТЧИСТКА

ФАРМАЦЕВТИКА

РЫБНОЕ ХОЗЯЙТСВО

НЕФТЕГАЗОВОЕ ДЕЛО

Традиционная схема: пробы → лаборатория → ожидание. Риски: потеря актуальности, деградация, распространение загрязнения.

Альтернатива: портативные ион‑анализаторы — анализ на месте, без задержек.

01

Характеризация Ti₃C₂Tₓ Mxene

Разработать и апробировать гибкую мультисенсорную систему MXeneSUN для одновременного потенциометрического определения восьми ионов в жидкости

ЗАДАЧИ

ЦЕЛЬ

02

Изготовление и тестирование ион-селективных мембран

03

DFT моделирование взаимодействия ионофоров с целевыми и мешающими ионами для прогноза перекрёстной чувствительности мембран.

04

Формирование гибкой мультисенсорной платформы MXene SUN

05

Тестирование полученных сенсоров с помощь потенциастата

Изготовление мембран

Взвешивание реактивов и смешивание их в термошейкере на протяжении 12 часов

1) на калибровочных образцах
2) на реальных образцах

Создание сенсоров на примере MXeneSun

Тестирование

Изотовление 3D моделей, их печать и созание силиконовых форм

ХОД РАБОТЫ

Дорожки MXene на фильтре с наклеенной изоляцией

MXeneSUN в собранном виде.
(на фильтр с изоляцией наноситься мембраны и полиэмидный скотч с медными проводами)

ФОРМЫ СЕНСОРА

СОЛНЫШКО

ПИАНИНО

ПАУК

1) Относительно большая площадь
2) Минимальный расход чернил
3) Симметричный отклик

1) Удобен для рулонный печати
2) Легко нарезать полосками
3) Простота подключения к разъемам
4) Легче резать в маштабном производстве

Гибкий мультисенсор
В качестве электрода MXene
Диапазоны измерений: 10-5
Типы ионов: K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺, Cl⁻, pH или I⁻

фильтр

ЧТО МЫ ПРЕДЛАГАЕМ?

С помощью DFT расчетов мы определили селективность мембран, которая определяется ионофором. C помощью DFT мы спрогнозировали взаимодействие ионофора с целевым и мешающими ионами

про мембраны

СЕЛЕКТИВНОСТЬ

про DFT

про расчеты

Теория функционала
плотности (DFT)

Это метод компьютерного моделирования, который позволяет рассчитать точную
полную энергию любой химической системы (будь то свободный ион, молекула ионофора или их комплекс), зная только пространственное расположение атомов

Расчетэнергии SP:
wB97X-D4 / def2-TZVP / RIJCOSX / CPCM
Оптимизациягеометрии:
R2SCAN-3C / CPCM

ионофор

Комплекс с целевым ионом

Оптимизация

Энергия связывания

Селективность

ИОНОФОР НА Na+

ПРИМЕР ОПТИМИЗАЦИИ ГЕОМЕТРИИ ИОНОФОРА НА НАТРИЙ С НАТРИЕМ

С помощью DFT расчетов мы определили селективность мембран, которая определяется ионофором.

дорожки MXene

изоляция

мембраны и референс электрод

полиэмидный скотч

нижняя и верхняя форма

C помощью DFT мы спрогнозировали взаимодействие ионофора с целевым и мешающими ионами

про мембраны

про DFT

про расчеты

Теория функционала
плотности (DFT)

Это метод компьютерного моделирования, который позволяет рассчитать точную
полную энергию любой химической системы (будь то свободный ион, молекула ионофора или их комплекс), зная только пространственное расположение атомов

Расчетэнергии SP:
wB97X-D4 / def2-TZVP / RIJCOSX / CPCM
Оптимизациягеометрии:
R2SCAN-3C / CPCM

ионофор

Комплекс с целевым ионом

Оптимизация

Энергия связывания

Селективность

ИОНОФОР НА Na+

ПРИМЕР ОПТИМИЗАЦИИ ГЕОМЕТРИИ ИОНОФОРА НА НАТРИЙ С НАТРИЕМ

РЕЗУЛЬТАТЫ

Mg²⁺
27,4 ± 2,4 мВ/дек
Практически нернстовский отклик
(S_теор│≈29,6 мВ/дек)

Ca²⁺
29,5 ± 4,5 мВ/дек
Практически нернстовский отклик
(S_теор│≈29,6 мВ/дек)

K⁺
45,0 ± 4,8 мВ/дек
Выраженный линейный отклик
(S_теор│≈59,2 мВ/дек)

I⁻
58,2 ± 1,8 мВ/дек
Практически нернстовский отклик
(S_теор│≈59,2 мВ/дек)

H⁺
46,7 ± 7,1 мВ/дек
Линейный потенциометрический отклик
(S_теор│≈59,2 мВ/дек)

NH₄⁺
48,3 ± 2.0 мВ/дек
Выраженный линейный потенциометрический отклик
(S_теор│≈59,2 мВ/дек)

Na⁺
52,8 ± 4,8 мВ/дек
Близкий к нернстовскому отклик
(S_теор│≈59,2 мВ/дек)

Cl⁻
47,0 ± 3,5 мВ/дек
Выраженный линейный отклик
(S_теор│≈59,2 мВ/дек)

ЭКОНОМИКА

Серийного производства гибких мультисенсорных систем в России нет.

Конкурентные преимущества:
1) Одновременное определение K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺, Cl⁻, pH или I⁻.
2) Гибкая конструкция и портативность.
3) Цена ниже зарубежных аналогов.
4) Отсутствие прямых отечественных конкурентов.

Экономика проекта