科学家为恶劣环境下的安全装备制造阻燃传感器科学家为恶劣环境下的安全装备制造阻燃传感器

想象一下，有一种设备可以经受住最猛烈的火灾，这样当消防员在工作中动弹不得时，它就能自动向其他人发出信号。

加州大学洛杉矶分校的研究人员和其他两所大学的同事设计了第一个阻燃、自熄运动传感器和发电机。该装置只有四分之一的大小，可以嵌入消防员、石油钻探工或其他工作中涉及极端温度或恶劣环境的人穿的鞋子或衣服中。

这项研究发表在《纳米能源》杂志上，由加州大学洛杉矶分校材料创新讲座教授、加州大学洛杉矶分校纳米系统研究所(California NanoSystems Institute at UCLA)成员理查德·卡纳(Richard Kaner)领导。

自供电传感器是一种摩擦电纳米发电机。当一种物质与另一种物质摩擦时，摩擦电荷通过电子的交换产生能量在这种情况下，设备本身和佩戴者的衣服或皮肤，或设备和地面。这种现象和你用脚在地毯上摩擦门把手时触电的现象是一样的。

科学家们将该装置命名为FRTENG(意为“阻燃摩擦电纳米发电机”)，它可以检测佩戴者何时处于危险或残疾状态，因为它可以感知行走、跑步、跳跃和静止之间的区别。

“不同的运动产生不同电压和电流的电信号，”加州大学洛杉矶分校(UCLA)助理研究员、该研究的合著者马赫·埃尔-卡迪(Maher El-Kady)说。“这些不同的洋流让我们能够确定是否有人在移动，以及他们是如何移动的例如，该设备可以集成到消防员的鞋子中，并在紧急情况下无线发送帮助信号。”

摩擦电纳米gerator已经存在，但由于它们使用易燃塑料和纺织品等材料，目前的模型无法承受火灾或极端温度，Kaner说。

为了克服这个障碍，研究人员发明了一种由碳气凝胶制成的新装置。气凝胶非常轻它95%的体积是空气并在高温下稳定，这使它成为理想的阻燃装置使用。

“碳气凝胶导电效率高，含有环保材料，”El-Kady说。“因为气凝胶非常轻，佩戴者甚至感觉不到它。”

为了形成气凝胶，研究人员将甲醛和间苯二酚这两种化学物质与聚丙烯腈纤维和只有纳米厚度的氧化石墨烯薄片混合纳米相当于一米的十亿分之一，或者大约是人类头发宽度的7.5万分之一制作凝胶。纳米纤维和纳米片为超轻材料提供了支撑。

加州大学洛杉矶分校(UCLA)和麦克马斯特大学(McMaster University)的

新型设备由一种碳气凝胶制成，这种气凝胶非常轻，在高温下非常稳定，非常适合极端环境。

然后，他们将凝胶干燥以去除液体成分，并在一个充满氢气的小房间中加热，留下一个耐用但重量轻的碳气凝胶纳米复合材料。

“利用摩擦充电，碳气凝胶可以作为运动传感器和发电机，”该研究的第一作者、麦克马斯特大学访问学者阿卜杜勒萨拉姆艾哈迈德(Abdelsalam Ahmed)说。“与传统的依靠电池供电的传感器不同，这种新设备可以无限期地工作，不需要任何电源。”

为了测试该设备的防火性能，科学家们将其置于丁烷火焰中90秒。他们发现，它不仅没有蔓延的火，但它是自我熄灭。而且，即使在200摄氏度的温度下，该设备的结构仍保持不变，其电力输出也保持稳定。Kaner说，在这样的温度下，大多数传统的摩擦电子设备会失去性能，甚至起火。

埃尔-卡迪说，这种新设备还可以用于太空任务跟踪astronauts’例如，生命体征或产生紧急电力。在太空飞行中，极端的温度常常会阻碍其他电子设备的使用。

该研究的其他合著者是加州大学洛杉矶分校的研究生麻省理工学院穆尼(Mit Muni);麦克马斯特大学的Islam Hassan、Ayman Negm和Ponnambalam Ravi Selvaganapathy;布拉格化学与技术大学的Amir Masoud Pourrahimi说。

这项研究得到了Nanotech Energy公司的支持，该公司生产石墨烯、氧化石墨烯和石墨烯超级电池，并从加州大学洛杉矶分校的研究中分离出来。Kaner是该公司科学委员会的主席，El-Kady是该公司的首席技术官。