Технології
Хімія
Технології
Хімія

Сенсорний екран перетворили на датчик для моніторингу якості води

Британські вчені з Кембріджського університету зацікавилися, чи можливо використати мультитач екран для визначення концентрації іонів різних речовин у питній воді. Для цього вони наносили краплі різних рідин на ємнісний сенсорний екран, подібний до тих, що у смартфонах і планшетах. Так з'ясувалося, що рідину дійсно здатні викликати вимірювані зміни ємності, причому у кожної краплі був власний помітний «підпис» з концентрації та зарядів її іонів. Діапазон чутливості виявився придатним для визначення домішок фосфатів та нітратів, повідомляють вчені у Sensors and Actuators B.

Institute for Manufacturing (IfM), University of Cambridge / YouTube

Institute for Manufacturing (IfM), University of Cambridge / YouTube

Навіщо вчені лили воду на телефон?

Найпоширенішим видом сенсорних екранів наразі є проєкційно-ємнісні, у яких дотик вивільняє в певній точці частину електричного заряду і тим самим дає визначити координати точки контакту. На внутрішній стороні екрана нанесена сітка електродів, яка разом із вашим пальцем утворить конденсатор, ємність якого стане свідченням дотику. Такі екрани завдяки точності, можливості застосувати мультитач (реакція на торкання у кількох місцях) та високій прозорості, давно вийшли за рамки телефонів і все ширше застосовуються й у інших девайсах. Однак, на думку дослідників, існує дуже мало прикладів використання цієї технології, не враховуючи дотик. З середини 2000-х років, як смартфони набули широкого поширення, інженерами здійснювалися спроби використовувати їхню обчислювальну потужність і можливості для моніторингу навколишнього середовища та/або оцінки стану здоров'я.

Але поки більшість підходів все ж засновані на використанні додаткових аксесуарів, що підключаються, наприклад, через Bluetooth, та передають отримані зовні дані на смартфон лише для візуалізації, інтерпретації та збереження. Вбудовані датчики у смартфонах рідко використовуються за межами їхнього первісного призначення. Примітним прикладом є спроба використати сенсорний екран для виявлення ДНК, однак датчик все ж виготовляли окремо і вже потім наносили на екран. З одного боку, це зрозуміло, адже самі по собі смартфони захищені зовні ще і склом, що обмежує можливість використовувати екран. Однак, з іншого, ми багато втрачаємо, оминаючи весь потенціал функцій зокрема сенсорних екранів. Тому у своїй роботі вчені вирішили дослідити можливість вимірювання іонних з'єднань у рідинах, а саме електролітах, безпосередньо за допомогою стандартного сенсорного екрана. Це могло б не лише наблизити нас до використання прямих вимірювань таким способом, а і розв'язати проблему якості води, зробивши доступ до аналізу набагато простішим.

Що можна знайти, якщо налити воду на екран?

Більшість іонів у питній воді не шкідливі для здоров'я людини, але забруднення іонами деяких металів, таких як миш'як і свинець, несе канцерогенну загрозу та навіть може привести до дисфункції органів. А нітрати і фосфати, можуть завдати шкоди природним екосистемам, якщо потраплять у навколишнє середовище. У тому числі нестача азоту, фосфору і калію, якими удобрюють ґрунт, може знизити врожайність сільськогосподарських культур. Зазвичай можна помітити лише слідові концентрації цих іонів (діапазон у частинках на мільярд), тому зразки вимагають транспортування в лабораторію для аналізу за допомогою настільного обладнання далеко від джерела взяття зразків. Але у роботі вчених іони виявилися особливо сприйнятливими до електричного поля, створюваного ємнісними сенсорними екранами. Вониі побачили майже лінійну реакцію на іонну концентрацію в діапазоні до 500 частинок на мільярд. І хоча це вікно виявлення знаходиться нижче типових концентрацій іонів в біологічних рідинах, однак воно відповідає такому для виявлення слідових металевих домішок у питній воді, таких як фосфати, нітрати, і, навпаки, наявності поживних речовин, як-то фосфор і калій.

Краплі води в 1, 50 і 1000 мікролітрів та їхнє відбиття на сенсорній панелі (a). Зелені області вказують на відсутність реакції екрана на краплі, а сині, навпаки, на відгук.  

Краплі води в 1, 50 і 1000 мікролітрів та їхнє відбиття на сенсорній панелі (a). Зелені області вказують на відсутність реакції екрана на краплі, а сині, навпаки, на відгук.

Як можна роздивитися фосфати у воді через екран?

На думку дослідників, смартфони можуть стати ідеальною платформою для взяття проб води і ґрунту для визначення рівня електролітів, щоб люди могли одразу приймати усвідомлене рішення, перш ніж піддавати себе ризику вживання забрудненої води. Ємнісні сенсорні екрани виявляють спотворення в електростатичному полі екрана, які вимірюються як зміни його електричної ємності. Такі спотворення виникають, коли електричний провідник, наприклад кінчик пальця, торкається поверхні екрану. Але оскільки проєкційно-ємнісні екрани покладаються на ємність, а не провідність, вченим довелося нанести додатково ізоляційний шар. У цій роботі це було паріленове покриття товщиною 2 мікрометри, однак у майбутньому це може бути нанесена вручну плівка на екран. Так дослідникам вдалося заміряти діапазон концентрацій електроліту хлориду натрію, де сенсор міг чітко розрізняти деіонізовану воду і електроліт. Причому сенсор без покриття не відреагував на воду, а отже не вимагає прямого контакту зі зразками, що дасть змогу додатково убезпечити девайси від деградації, спростить очищення та загалом дасть змогу поєднувати таку «лабораторію» зі звичним використанням смартфона.