Ученые создали «радар для молекул» — сенсор, определяющий газы по скорости

Измерения отдельных аналитов. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-64199-z

От анализа дыхания до обнаружения взрывчатых веществ — многим приложениям требуются надежные электронные «носы». К сожалению, существующие технологии часто не справляются с этой задачей. Именно поэтому исследователи из Лёвенского католического университета (KU Leuven) разработали гибкую сенсорную платформу, которая не только обнаруживает газы, но и записывает их скорость — подобно радару контроля скорости.

Эта технология, опубликованная в журнале Nature Communications и уже запатентованная, измеряет, как быстро молекулы движутся через специальный наноматериал. Это открывает двери для широкого спектра применений.

Традиционные химические сенсоры обычно измеряют, сколько конкретного вещества адсорбируется на поверхности. Но воздух содержит сотни летучих органических соединений (ЛОС), часто в низких концентрациях и все вперемешку. Ситуацию усложняет то, что водяной пар часто присутствует в тысячу раз больше, чем целевые вещества, что мешает многим датчикам проводить точные измерения. Результат — низкая надежность и точность.

Новая сенсорная платформа KU Leuven использует металлоорганические каркасы (МОК) — материалы с сеткой нанопор, все одного и того же размера. Они действуют как молекулярные радары. Когда молекулы газа движутся через поры при слегка повышенной температуре, они делают это с разной, специфической скоростью, зависящей от их структуры. Эта скорость действует как отпечаток пальца. Измеряя скорость, исследователи могут различать разные газы даже в сложных условиях, где традиционные сенсоры терпят неудачу.

«Вы можете сравнить наш подход с контролем скорости для молекул, — говорит Марго Верстрекен, биоинженер и постдокторант исследовательской группы Амелута в KU Leuven. — Мы смотрим не только на то, сколько молекул проходит через нанопоры, но и на различия в скорости. Мы называем это кинетической селективностью. Эта дополнительная информация меняет всё».

Масштабируемая платформа

Уникальность подхода KU Leuven заключается в том, что это масштабируемая платформа. «Настраивая металлоорганический каркас, мы можем адаптировать сенсор к конкретным газам, не меняя базовую технологию, — объясняет Верстрекен. — Система остается компактной, энергоэффективной и высокопроизводительной. Даже во влажной среде или со сложными газовыми смесями и низкими концентрациями она превосходит коммерческие электронные носы».

На конкретную структуру сенсора подана заявка на патент, поскольку у этой технологии широкий спектр потенциальных применений. Это может быть дыхательный тест для ранней диагностики диабета; обнаружение утечек в химической промышленности и неисправностей в литий-ионных аккумуляторах; мониторинг качества воздуха в помещении или на улице; или отслеживание свежести фруктов и овощей на хранении. Даже скрытые взрывчатые вещества или наркотики можно обнаруживать быстрее и точнее с помощью этой технологии. Благодаря модульной конструкции сенсор можно адаптировать к каждой задаче: выберите правильные МОК, и платформа сделает свое дело.

«Это не сенсор, созданный для одной конкретной задачи, а модульная платформа, — подчеркивает Верстрекен. — Выбирая правильный МОК или комбинацию МОК, вы можете настроить сенсор на обнаружение того, что вам нужно. Эта гибкость делает нашу платформу подходящей для самых разных секторов — от здравоохранения до безопасности».

С этим исследованием Марго Верстрекен выиграла бельгийский этап Falling Walls — международного конкурса научных коммуникаций. В ноябре она представит Бельгию на мировом финале в Берлине, соревнуясь с молодыми исследователями из более чем ста стран.

Больше информации: Aleksander Matavž et al, Kinetic selectivity in metal-organic framework chemical sensors, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-64199-z

Источник: KU Leuven