麻省理工学院的研究人员已经开发出低成本的化学传感器，由化学改变的碳纳米管制成，使智能手机或其他无线设备能够检测微量的有毒气体。
利用这些传感器，研究人员希望设计出重量轻、价格低廉的射频识别(RFID)徽章，用于个人安全和安保。战场上的士兵可以佩戴这种徽章来快速检测化学武器的存在，比如神经毒气或窒息剂，在容易泄漏的危险化学品周围工作的人也可以佩戴。
约翰·d·麦克阿瑟化学教授蒂莫西·斯瓦格(Timothy Swager)说:“士兵们拥有所有这些额外的设备，最终重量太重，他们无法承受。美国化学学会杂志。“我们有比信用卡还轻的东西。士兵们已经配备了无线技术，所以它可以很容易地集成到士兵的制服中，从而为他们提供保护能力。”
该传感器是一个装载了碳纳米管的电路，碳纳米管通常具有高导电性，但被绝缘材料包裹，使其处于高电阻状态。当暴露于某些有毒气体中时，绝缘材料会破裂，纳米管的导电性会显著提高。它发出的信号可以被具有近场通信(NFC)技术的智能手机读取，该技术允许设备在短距离内传输数据。
传感器足够灵敏，可以在大约5秒钟内检测到低于百万分之十的目标有毒气体。“我们正在与台式实验室设备相匹配，比如气相色谱仪和光谱仪，这些设备要贵得多，需要熟练的操作人员来使用，”斯瓦格说。
此外，每个传感器的制造成本约为五美分;1克碳纳米管材料可以制造出大约400万个。“你真的不能让任何东西更便宜，”斯瓦格说。“这是一种将分布式传感技术送到许多人手中的方法。”
该论文的其他共同作者来自Swager的实验室:Shinsuke Ishihara，博士后，也是日本国家材料科学研究所国际材料纳米结构中心的成员;以及博士生Joseph Azzarelli和Markrete Krikorian。
包装碳纳米管
近年来，斯瓦格的实验室开发出了另一种廉价的无线传感器，称为化学电阻器，用于检测被宠坏的肉和成熟:水果的成熟等等。它们的设计都很相似，碳纳米管经过了化学修饰，因此当它们接触到目标化学物质时，它们携带电流的能力就会发生变化。
这一次，研究人员设计了对“亲电”或亲电子化学物质高度敏感的传感器，这些化学物质通常是有毒的，用于化学武器。
为此，他们创造了一种新型的金属超分子聚合物，一种由金属结合到聚合物链上的材料。这种聚合物起着绝缘的作用，包裹着传感器上成千上万个单壁碳纳米管，将它们分开，并保持它们的高耐电性。但是亲电物质会触发聚合物分解，使碳纳米管再次聚集在一起，从而增加导电性。
在他们的研究中，研究人员将纳米管/聚合物材料滴铸到金电极上，并将电极暴露在氯磷酸二乙酯中，这是一种皮肤刺激物和神经毒气的反应性模拟物。他们使用一种测量电流的设备观察到，在暴露在紫外线下5秒钟后，电导率增加了2000%。类似的电导率增加被观察到许多其他亲电物质的微量，如亚硫酰氯(SOCl)2)，窒息剂中的反应性模拟物。电导率对常见挥发性有机化合物的反应明显降低，而暴露于大多数非目标化学物质实际上增加了电阻率。
斯瓦格说，制造这种聚合物是一种微妙的平衡行为，但对设计至关重要。作为一种聚合物，这种材料需要将碳纳米管分开。但是当它分解时，它的单个单体需要更弱的相互作用，让纳米管重新组合。斯瓦格说:“我们达到了一个最佳点，只有当所有东西都连接在一起时，它才会起作用。”
电阻可读
为了建立他们的无线系统，研究人员创造了一个NFC标签，当它的电阻低于一定的阈值时就会打开。
智能手机发出短脉冲电磁场，与无线射频NFC标签产生共鸣，产生电流，将信息传递给手机。但智能手机无法与电阻高于1欧姆的标签产生共鸣。
研究人员将他们的纳米管/聚合物材料应用于NFC标签的天线。暴露在百万分之十的二氧化硫中2在五秒钟内，这种材料的电阻下降到智能手机可以ping到标签的程度。斯瓦格说，基本上，它是一个“开/关指示器”，可以确定是否存在有毒气体。
根据研究人员的说法，这种无线系统可以用来检测Li-SOCl中的泄漏2(亚硫酰氯锂)电池，用于医疗器械、火灾报警器和军事系统。
匹兹堡大学(University of Pittsburgh)化学与生物工程、临床与转化科学教授亚历山大·斯塔尔(Alexander Star)表示，研究人员设计的亲电物质无线传感器(或剂量计)可以提高士兵的安全。
“作者能够合成一种对一类高度感兴趣的化学物质敏感的[碳纳米管]复合材料，”Star说。“这种类型的设备架构对于实际应用非常重要，因为军事和安全人员佩戴的化学武器剂量计需要快速读取。”
斯瓦格说，下一步是在实验室外的活体化学试剂上测试传感器，这些试剂更分散，更难检测，尤其是在痕量水平上。在未来，人们还希望开发一款移动应用程序，可以对NFC标签的信号强度进行更复杂的测量:信号的差异将意味着有毒气体浓度的高低。斯瓦格说:“但目前开发新的手机应用程序有点超出我们的能力范围。”“我们化学家。”
这项工作得到了美国国家科学基金会和日本科学促进会的支持。
了下:M2M(机器对机器)
