Beim Synthese von Chemikalien können stationäre Sensoren detaillierte Daten innerhalb eines Reaktorsystems sammeln und kommunizieren. Physikalisch installierte Sensoren erreichen ihre Einschränkungen, wenn es darum geht, Konzentrationen innerhalb eines Fluids zu kartieren, das durch schwer zugängliche Bereiche fließt-insbesondere in langen, schmalen Röhren.
Während Sensoren in einer industriellen Umgebung auf den Umfang des Reaktors platziert werden können, würde die Suspendiersensoren in der Mitte eines Rohrs den Fluss stören. In einer medizinischen Anwendung wie der Kartierung chemischer Konzentrationen innerhalb des Darms zur Bestimmung interner Blutungen werden implantierte Sensoren unpraktisch.
Ein neues Gerüst optimiert die Verwendung von zeitbewussten Partikelsensoren (TAPS)-ein winziger Sensor, der durch das System reist und sich erinnert, wenn es auf eine Zielchemikalie stößt-, um diese unbekannten Bereiche abzubilden.
Simulationen zeigen, dass die Sensoren, wenn sie in Tausenden freigegeben werden, gemeinsam das gesamte Konzentrationsprofil dieser bisher unzugänglichen Systeme herausstellen können. Die Studie der University of Michigan ist veröffentlicht im Aiche Journal.
„Wir zeigen hier, dass selbst mit grundlegenden Funktionen für jeden Sensor mit Stärke in Zahlen etwas zusammen erreicht werden, das ansonsten sehr schwer zu tun ist“, sagte Albert Liu, Assistenzprofessor für Chemieingenieur Engineering bei UM und entsprechender Autor der Studie.
Bei nur etwa 100 Mikrometern-über die Breite eines menschlichen Haares-sind diese Teilchengröße klein genug, um in einer Flüssigkeit aufzuhalten, ohne das Flussmuster signifikant zu stören, und groß genug, um durch Filtration zur Analyse abgerufen zu werden.
Sensorgröße und Einfachheit helfen auch, die Kosten im Vergleich zu herkömmlichen integrierten Schaltungssensoren zu senken, die im Wesentlichen geschrumpfte Computer sind. Millionen dieser Sensoren können auf einem einzigen Siliziumwafer hergestellt werden – eine Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 12 Zoll oder weniger.
Die Sensoren verfolgen die Zeit mit einer Reihe von Memristoren – elektrische Komponenten, die Informationen unter Verwendung eines elektrischen Widerstands speichern. Memristoren können, wenn sie in einer parallele Schaltung angeordnet sind, als analoge Uhr wirken. Nach dem Start des Timers wird jeder Memristor in der Leiter mit einer bekannten Geschwindigkeit nacheinander ausgeschaltet. Die Uhr tickt, bis eine Zielchemikalie einen Schalter im Sensor umdreht und den Timer ausschaltet.
Nach dem Abnehmen gibt die Anzahl der ausgeschalteten Memristoren an, wie viel Zeit seit dem Wechselwirkung des Sensors mit der Chemikalie vergangen ist.
„Es ist ein einfacher Mechanismus, zeitliche Informationen in räumliche Informationen zu verwandeln“, sagte Liu.
Während Memristoren Gegenstand dieser Studie waren, ist das Systemdesign breit genug, um eine zeitempfindliche Erkennungsmethode zu erfassen.
Die Modelle fanden heraus, dass die Sensorleistung stark durch Faktoren wie die Art des chemischen Konzentrationsniveaus, die Systemgröße und die Zeitdauer des Systems beeinflusst wurde.
„Unsere Simulation spiegelte eindeutig wider, dass Sensoren auf ihre Umgebung zugeschnitten werden müssen. Es gibt eine Art Fingerabdruck für jedes System, das die optimale Anzahl von Sensoren und das Erfassungsmaterial zur Erkennung der Zielchemikalie verändert“ Chemieingenieurwesen bei UM und Erstautor der Studie.
Um die Unterschiede zwischen Systemen zu bewältigen, entwickelten die Forscher ein Optimierungsschema, mit dem Ingenieure die besten Sensoren für jedes einzigartige System entwerfen können.
Während sich die Technologie weiterentwickelt, hofft das Forschungsteam, eine räumliche Auflösung hinzuzufügen, um die chemischen Konzentrationen in drei Dimensionen zu verstehen. Derzeit bietet die Methode eine zeitliche Auflösung der Flüssigkeit, die sich durch ein Rohr bewegt und eine Konzentrationskarte der Chemikalien im Rohr im Rohr erzeugt.
Der Rahmen für die Bereitstellung von Tausenden von Sensoren sorgt für kleine Verbesserungen auf der Sensorebene wird durch Sprung und Grenzen die chemische Konzentrationskartierung verbessern.
Insgesamt erfüllen die Sensoren aufstrebende Funktionen – im Wesentlichen ist das System viel fähiger als die Summe seiner Teile.
Die Forscher konnten die kollektiven Eigenschaften der Sensoren weiter nutzen, indem sie es Partikeln ermöglichen, miteinander zu kommunizieren.
„In dieser Studie kommunizieren einzelne Partikel noch nicht miteinander. Ein Großteil des aufkommenden Verhaltens beruht auf Partikeln zur Partikelkommunikation. Wenn Sie diese haben, wird die nichtlineare Skalierung solcher verteilten Partikelbasis-Systeme wirklich lebendig“, sagte Liu.
Weitere Informationen:
Matthew Lee Manion et al., Zeitlich aufgelöste Konzentrationsprofilierung durch rechenintensive, verteilte Sensorknoten, Aiche Journal (2024). Doi: 10.1002/aic.18691