科學家研發出可探測氣體的智能紗線

文/戎瓏

近日，美國塔夫茨大學工程師研發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，可為醫療、車間、軍事和救援領域提供可循環使用、易清洗、便宜且安全的產品。該項研究發表在《科學報告》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。

據介紹，這種技術雖然還不能取代通常用于檢測揮發性氣體的電子設備精度，但將氣體檢測技術應用到紡織品中可無需借助設備實現讀數，也無需專門培訓。這種方法可減少勞動力成本，也使資源成本降低，而使紡織生產從中受益。

該項工藝利用了錳基染料（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、化肥和化學品以及材料生產中釋放出來。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生更多的相互結合作用力。最后，用聚二甲硅氧烷（PDMS）處理紗線，在紗線和染料周圍創造出一層柔性的物理密封區域，它既可防水也能經受洗滌。重要的是，PDMS具有氣體滲透性，允許分析物接觸到光學染料。

有些特殊染料暴露在氣體中時還能產生其他變色效應。例如，溴百里酚藍是一種弱酸，當暴露于氨氣中時，它可從黃色變為藍色。相關的智能紗線還可檢測低至50ppm的氣體。檢測結果可通過光譜技術驗證，也可在光學圖像中肉眼可見。此外，這項工藝還可通過智能手機對顏色變化進行量化，以提高精準度，或檢測更為復雜的顏色特征。

據該項目負責人介紹，他們使用的染料應用不同的工藝，因此可檢測出不同化學物質的氣體。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鍵合，所以可更靈活地利用廣泛的功能性化學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。精準度處于光譜儀與人眼之間，因此可采用智能手機讀數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，這可擴大規模實現一次測量許多分離物，或通過獨特的色差對比的特征來區分分離物。

這種紗線甚至在水中也能工作，如檢測出溶液中的氨氣。據該項目另一負責人解釋，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備，該團隊設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性有機化合物。此外，由于反復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。

(據美國《科學日報》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）