Due non incapsulati e lavabili

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 12288 (2022) Citare questo articolo

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I materiali adottati nei sensori elettronici di gas, come i sensori NO2 a base chemiresistiva, per l'integrazione negli indumenti non riescono a sopravvivere ai cicli di lavaggio standard a causa dell'effetto combinato di sostanze chimiche aggressive nei liquidi di lavaggio e dell'abrasione meccanica. Il guasto del dispositivo può essere mitigato utilizzando materiali di incapsulamento, che, tuttavia, riducono le prestazioni del sensore in termini di sensibilità, selettività e quindi utilità. Un sensore tessile elettronico (e-textile) altamente sensibile per NO2 è stato fabbricato su tessuto di nylon, resistente ai cicli di lavaggio standard, rivestendo ossido di grafene (GO) e bisolfuro di molibdeno (GO/MoS2) ed eseguendo la riduzione in situ del GO all'ossido di grafene ridotto (RGO). Il tessuto elettronico GO/MoS2 era selettivo per NO2 e ha mostrato sensibilità a 20 ppb di NO2 in aria secca (0,05%/ppb) e 100 ppb di NO2 in aria umida (60% RH) con un limite di rilevamento (LOD) di ~ 7,3 ppb. La selettività e il basso LOD si ottengono con il sensore che funziona a temperatura ambiente (~ 20 °C). Il sensore ha mantenuto la sua funzionalità dopo essere stato sottoposto a 100 cicli di lavaggio standardizzato senza incapsulamento. È stata studiata la relazione tra temperatura, umidità e risposta del sensore. Il sensore e-textile è stato integrato con un sistema di microcontrollore, consentendo la trasmissione wireless dei dati di misurazione a un telefono cellulare. Questi risultati mostrano il potenziale per l’integrazione di sensori di qualità dell’aria sugli indumenti lavabili per un’elevata risoluzione spaziale (< 25 cm2): monitoraggio dell’esposizione personale del corpo.

Milioni di morti premature in tutto il mondo sono state collegate alla cattiva qualità dell’aria all’interno e all’esterno1,2. Studi epidemiologici sostengono che l'esposizione a livelli di inquinanti oltre i limiti prescritti (40 µg m−3 – valore medio annuo di NO2) potrebbe avere conseguenze letali, soprattutto sui bambini3,4, sulle donne incinte5,6 e sugli anziani7. Gli effetti indesiderati sul sistema cardiovascolare sono evidenziati dalla relazione osservata tra i dati di ricovero ospedaliero e le visite al pronto soccorso e i dati sull'inquinamento atmosferico per la stessa sequenza temporale/sovrapposta8,9. I dati sull'inquinamento atmosferico vengono raccolti principalmente da un numero minimo di siti di monitoraggio della qualità dell'aria10 o da reti ad hoc11 (ovvero una rete composta da dispositivi che comunicano tra loro), installati in postazioni fisse con una risoluzione spaziale di diverse centinaia di metri nel migliore dei casi, per lo più di pochi chilometri nelle aree urbane e di centinaia di chilometri in quelle rurali. A causa della scarsità spaziale, i dati raccolti possono essere diversi dai livelli di esposizione individuale effettivi nel corso di una giornata12. I sensori indossabili possono risolvere questo problema poiché esistono nell'ambiente locale del soggetto. Tuttavia, per ragioni di comodità e utilità, il problema deve essere risolto in modo non intrusivo. I sensori e l'elettronica indossabili di nuova generazione mirano a integrarsi negli abiti dell'utente per ottenere la massima comodità da indossare. Attualmente esistono tecnologie per affrontare il rilevamento portatile del gas che includono cerotti applicati sul corpo basati su polimeri estensibili13 o dispositivi rigidi a base di silicio racchiusi in una scatola che può essere attaccata al tessuto10. I cerotti applicati sul corpo sono limitati da problemi di bassa traspirabilità e compatibilità cutanea associati agli adesivi o agli elastici adottati nei cerotti per garantire l'indossabilità, spesso causando irritazione alla pelle e disagio all'utente. Allo stesso tempo, l’elettronica convenzionale a base di silicio è generalmente ingombrante e invadente poiché non è stata originariamente progettata per adattarsi a una superficie tessile. Se utilizzati come substrati per sensori elettronici, i materiali tessili possiedono tutti gli attributi desiderabili per le applicazioni di sensori indossabili, come elevata flessibilità, compatibilità biologica/pelle, traspirabilità, conformabilità a forme e dimensioni arbitrarie, vicinanza al sito di misurazione e possono essere indossati da l'utente per lunghi periodi senza causare disagio. I sensori che sono stati integrati con successo sui tessuti includono sensori di temperatura, sensori potenziometrici14, sensori tattili15, sensori di umidità16,17, capacitivi18, estensimetri e sensori di pressione19,20. I metodi diretti di fabbricazione e rivestimento di materiali sensibili attivi sui tessuti, basati sul rivestimento per immersione18, sulla riduzione chimica19,21, sulla pressatura a caldo19 e sulla stampa22, hanno presentato problemi quali uniformità del rivestimento, compatibilità con la pelle e scarsa lavabilità, a causa dell'incapacità del materiale rivestito di formano forti legami con le fibre del tessuto23. Sono stati segnalati tentativi di superare questa limitazione fabbricando sensori a base tessile direttamente su fibre e filati impiegando un rivestimento controllato del materiale di rilevamento sulle fibre del filato24. I filati vengono poi intrecciati insieme e integrati in sistemi tessili di abbigliamento intelligente25,26 o non-abbigliamento27. La sensibilità e la selettività del sensore fabbricato dipendono dalle proprietà del materiale attivo. Mentre i materiali bidimensionali (2D) come il grafene e materiali correlati con un'area superficiale elevata (teoricamente 2630 m2 g−1) mostrano una sensibilità molto elevata a basse concentrazioni di NO2 (fino al livello ppb), come dimostrato da Yuan et al.— 150 ppb28, Liu et al.—5 ppb29, Fowler et al.—5 ppm30, Shaik et al.—2,5 ppm31, Wang et al.—5 ppm32, Novikov et al.—1 ppb33 la loro indagine per il rilevamento del gas è stata limitata a fili singoli che possono poi essere intrecciati nel tessuto26 o incapsulati. È stato dimostrato che i sensori basati su grafene hanno una sensibilità fino a 250 ppb26. Sono stati intrapresi anche diversi lavori con dichalcogenuri di metalli di transizione su Si/SiO2 per il rilevamento di NO2 con basso LOD come MoS2, disolfuro di tungsteno (WS2) e disolfuro di stagno (SnS2) grazie alla loro capacità di operare a bassa temperatura (100–150 °C )34. Ad esempio, la deposizione chimica in fase vapore di MoS2 con grafene è stata utilizzata per consentire a un sensore di gas optoelettronico di raggiungere un LOD di 0,1 ppb e una sensibilità del 4,9%/ppb35. Yang et al.36 hanno dimostrato un sensore di gas SnS2 esfoliato in fase liquida (LPE) con una sensibilità dello 0,3%/ppm con un LOD di 50 ppm mentre Ko et al.37 hanno utilizzato la deposizione di strati atomici WS2 con nanofili d'argento su Si/SiO2 per ottenere un sensibilità dello 0,1%/ppm. Nonostante l'ampio lavoro pubblicato finora sul grafene e sui materiali 2D, come esaminato ad esempio da Buckley et al.34. Il rilevamento del gas NO2 su substrati tessili non è stato ottenuto con sensibilità elevata, LOD basso e temperatura operativa bassa (< 150 °C). Inoltre, deve ancora essere dimostrato un protocollo per abilitare sensori di gas NO2 lavabili con dichalcogenuri di metalli di transizione senza l'uso di strati di incapsulamento.