科學(xué)家研發(fā)出可探測氣體的智能紗線

文/戎瓏

近日，美國塔夫茨大學(xué)工程師研發(fā)出一種新的紡織染色法。這種染色可使紗線在檢測到多種氣體時改變顏色。把這種智能紗線制成衣服，可為醫(yī)療、車間、軍事和救援領(lǐng)域提供可循環(huán)使用、易清洗、便宜且安全的產(chǎn)品。該項研究發(fā)表在《科學(xué)報告》雜志上，它描述了這種制造方法以及可拓展至各種染料的方法。

據(jù)介紹，這種技術(shù)雖然還不能取代通常用于檢測揮發(fā)性氣體的電子設(shè)備精度，但將氣體檢測技術(shù)應(yīng)用到紡織品中可無需借助設(shè)備實現(xiàn)讀數(shù)，也無需專門培訓(xùn)。這種方法可減少勞動力成本，也使資源成本降低，而使紡織生產(chǎn)從中受益。

該項工藝?yán)昧隋i基染料（MnTPP）、甲基紅和溴百里酚藍的變色原理，這些染料原本具有變色的性能。例如，錳基染料與溴百里酚藍在檢測到空氣中具有氨氣成分時，就會改變顏色；而甲基紅能檢測到空氣中的氯化氫氣體。上述氣體一般會從清潔用品、化肥和化學(xué)品以及材料生產(chǎn)中釋放出來。研究人員通過三個步驟將染料“捕獲”到紗線里。首先，將紗線浸入染料中，然后用乙酸處理，使表面更加粗糙并使其纖維膨脹，這樣使染料與紗線間產(chǎn)生更多的相互結(jié)合作用力。最后，用聚二甲硅氧烷（PDMS）處理紗線，在紗線和染料周圍創(chuàng)造出一層柔性的物理密封區(qū)域，它既可防水也能經(jīng)受洗滌。重要的是，PDMS具有氣體滲透性，允許分析物接觸到光學(xué)染料。

有些特殊染料暴露在氣體中時還能產(chǎn)生其他變色效應(yīng)。例如，溴百里酚藍是一種弱酸，當(dāng)暴露于氨氣中時，它可從黃色變?yōu)樗{色。相關(guān)的智能紗線還可檢測低至50ppm的氣體。檢測結(jié)果可通過光譜技術(shù)驗證，也可在光學(xué)圖像中肉眼可見。此外，這項工藝還可通過智能手機對顏色變化進行量化，以提高精準(zhǔn)度，或檢測更為復(fù)雜的顏色特征。

據(jù)該項目負責(zé)人介紹，他們使用的染料應(yīng)用不同的工藝，因此可檢測出不同化學(xué)物質(zhì)的氣體。該團隊采用簡單的染料檢測酸性或堿性氣體。由于該團隊采用一種方法將染料有效地收集到紗線中，而不是過多地依賴于化學(xué)鍵合，所以可更靈活地利用廣泛的功能性化學(xué)染料來檢測不同氣體。

測試的染料以一種與氣體濃度成正比的方式變色，就像光譜法測量一樣。精準(zhǔn)度處于光譜儀與人眼之間，因此可采用智能手機讀數(shù)并對顏色的變化進行量化，或通過更多紗線和染料來分析顏色特征。專家認為，這可擴大規(guī)模實現(xiàn)一次測量許多分離物，或通過獨特的色差對比的特征來區(qū)分分離物。

這種紗線甚至在水中也能工作，如檢測出溶液中的氨氣。據(jù)該項目另一負責(zé)人解釋，PDMS密封劑是防水的，可使水脫離紗線，但溶解的氣體仍可接觸到染料，從而進行測試。作為溶解氣體的探測設(shè)備，該團隊設(shè)想可將智能織物運用于油氣勘探，檢測二氧化碳或其他揮發(fā)性有機化合物。此外，由于反復(fù)洗滌或在水下使用不會稀釋染料，因此這種紗線進行多次一致性的量化檢測。

(據(jù)美國《科學(xué)日報》https：//www.sciencedaily.com/releases/2019/04/190404074902.htm;https：//www.thechemicalengineer.com/news/threads-that-change-colour-inresponse-to-certain-gases/等近期資料）