Milhares de sensores minúsculos e com reconhecimento de tempo podem mapear coletivamente as concentrações químicas em tubos estreitos

Ao sintetizar produtos químicos, os sensores estacionários podem coletar e comunicar dados detalhados de um sistema de reator. Os sensores instalados fisicamente atingem suas limitações quando se trata de mapear concentrações dentro de um fluido que flui através de áreas de difícil acesso-principalmente em tubos longos e estreitos.

Enquanto sensores Pode ser colocado no perímetro do reator em um ambiente industrial, suspender os sensores no centro de um tubo atrapalharia o fluxo. Em uma aplicação médica, como mapeamento concentrações químicas dentro do intestino para identificar sangramento internosensores implantados se tornam impraticáveis.

Uma nova estrutura otimiza o uso de sensores de partículas com reconhecimento de tempo (torneiras)-um Sensor minúsculo Isso viaja pelo sistema e lembra quando encontra um produto químico -alvo – para mapear essas áreas desconhecidas.

As simulações demonstram que, quando liberadas em milhares, os sensores podem mapear coletivamente todo o perfil de concentração desses sistemas anteriormente inacessíveis. O estudo da Universidade de Michigan é publicado no Aichhe Journal.

“Mostramos aqui que, mesmo com funções básicas para cada sensor, com força em números, eles alcançam algo juntos que, de outra forma, é muito difícil de fazer”, disse Albert Liu, professor assistente de engenharia química, ciência macromolecular e engenharia e Ciência dos Materiais e engenharia na UM e autor correspondente do estudo.

A apenas cerca de 100 micrômetros-sobre a largura de um cabelo humano-esses sensores do tamanho de partículas são pequenos o suficiente para suspender em um fluido sem interromper significativamente o padrão de fluxo e grande o suficiente para serem recuperados por filtração para análise.

O tamanho e a simplicidade do sensor também ajudam a reduzir os custos em comparação com os sensores tradicionais baseados em circuitos integrados, que são essencialmente computadores encolhidos. Milhões desses sensores podem ser fabricados em uma única bolacha de silício – um disco com cerca de 12 polegadas ou menos de diâmetro.

Os sensores acompanham o tempo usando uma variedade de memristores –Componentes elétricos que armazenem as informações usando resistência elétrica. Memristores, quando organizados em um circuito paralelo, podem atuar como um relógio analógico. Após o início do cronômetro, cada memristor na escada é desligado um de cada vez a um ritmo conhecido. O relógio marque até que um produto químico alvo vira um interruptor no sensor, desligando o temporizador.

Uma vez recuperado, o número de memristores desligados indica quanto tempo passou desde que o sensor interagiu com o produto químico.

“É um mecanismo simples transformar informações temporais em informações espaciais”, disse Liu.

Embora os memristores tenham sido objeto deste estudo, o desenho do sistema é amplo o suficiente para abranger qualquer método de detecção sensível ao tempo.

Os modelos descobriram que o desempenho do sensor foi fortemente impactado por fatores como o tipo de produto químico, nível de concentração, tamanho do sistema e tempo para passar pelo sistema.

“Nossa simulação refletiu claramente que os sensores precisam ser adaptados ao seu ambiente. Existe um tipo de impressão digital em cada sistema que altera o número very best de sensores e o materials de detecção usado para detectar o produto químico alvo”, disse Matthew Manion, um estudante de doutorado de Engenharia química na UM e primeiro autor do estudo.

Para lidar com as diferenças entre os sistemas, os pesquisadores desenvolveram um esquema de otimização para ajudar os engenheiros a projetar os melhores sensores para cada sistema exclusivo.

À medida que a tecnologia continua a se desenvolver, a equipe de pesquisa espera adicionar mais Resolução espacial entender concentrações químicas em três dimensões. Atualmente, o método oferece resolução de tempo do fluido que se transfer através de um tubo – gerando um mapa de concentração dos produtos químicos dentro do tubo.

A estrutura de implantação de milhares de sensores garante pequenos aprimoramentos no nível do sensor melhorará o mapeamento de concentração química aos trancos e barrancos.

Coletivamente, os sensores desempenham funções emergentes – essencialmente, o sistema é muito mais capaz do que a soma de suas partes.

Os pesquisadores podem aproveitar ainda mais as propriedades emergentes coletivas dos sensores, permitindo que as partículas se comuniquem.

“Neste estudo, as partículas individuais ainda não se comunicam. Muito comportamento emergente se baseia na comunicação de partículas para partículas. Quando você tem isso, a escala não linear de tais sistemas distribuídos baseados em partículas realmente ganha vida”, disse Liu.