Некоторые продукты, химические реактивы и лекарства очень чувствительны к изменению температуры ― причем роль играют даже малейшие изменения в диапазоне низких температур. Такую продукцию нужно перевозить и хранить в определенных условиях, ведь если нарушить температурный режим, это может привести к росту бактерий, и продукт попросту испортится. Следить за условиями хранения помогают индикаторы температуры, но не все датчики, представленные на рынке, охватывают достаточно широкий низкотемпературный диапазон. К тому же, они дорого стоят и не всегда точно реагируют на изменение температуры.

Сотрудники химико-биологического кластера ИТМО разработали наноструктурированный индикатор температуры из углеродных точек, синтезированных на поверхности нанокристаллической целлюлозы, и смеси диметилсульфоксида и воды.

«Углеродные точки применяются в разных областях науки. Их основное свойство — флуоресценция, то есть способность светиться под действием электромагнитного излучения с различными длинами волн. Оно помогает визуализировать химические или биологические процессы, и мы используем как раз этот эффект. Также в датчике применяется нанокристаллическая целлюлоза — это дешевый, биосовместимый и экологичный материал, но мы использовали его по другой причине. Обычно точки синтезируют из малых органических молекул, например лимонной кислоты, глюкозы или переработанных продуктов, а затем отдельно смешивают с носителем для получения материалов в виде пленок. В нашем случае с помощью целлюлозы происходит два процесса в одном месте: она служит и носителем точек, и источником углерода для них», — рассказала первый автор статьи, аспирантка третьего курса химико-биологического кластера Анастасия Навроцкая.

Благодаря свойству углеродных точек реагировать на изменения в окружающей среде, а также экологичности и экономичности нанокристаллической целлюлозы, исследователям удалось сделать более точный и дешевый инструмент для определения повышения температуры окружающей среды. Более того, раствор диметилсульфоксида и воды позволяет датчику эффективно работать при очень низких температурах и в широком диапазоне — от -68 °C до +19 °C.

Неожиданное открытие во время исследования

Но идея создать индикатор температуры появилась не сразу. Изначально руководители этой работы ― профессор Евгения Кумачева из Университета Торонто и доктор химических наук Елена Кривошапкина из Университета ИТМО ― поставили другую задачу. Они хотели получить углеродные точки на поверхности полимерных структур с флуоресценцией в различных диапазонах видимого спектра, чтобы создавать разноцветные изображения для защиты продукции от подделок методом 3D-печати. Так как получить яркие изображения долгое время не получалось, проект планировали закрыть. Но обнаруженный фундаментальный эффект для углеродных точек позволил найти практическое применение в совершенно новой области.

Система на основе растворителей диметилсульфоксида и воды давно привлекает внимание ученых. Чистые компоненты по отдельности имеют температуру плавления 0 °C для воды и +19 °C для диметилсульфоксида. Но при их смешении свойства системы очень сильно меняются, и температура плавления смеси воды и диметилсульфоксида может достигать -70 °C. Этот эффект широко используется, например, в биологии. Система действует как криопротектор клеток и сохраняет их мембрану при заморозке и разморозке. Именно эти свойства смеси привели к открытию нелинейной зависимости оптических свойств углеродных точек в зависимости от состава растворителя. Оказалось, что в растворе с другой полярностью они могут светиться в более дальних диапазонах — оранжевом и красном, если на них направить зеленый свет ― например, сделав это с помощью лазерной указки.

Результат и дальнейшие перспективы

В результате ученые разработали датчик, который состоит из считывателя с электронной схемой и LED-лампой зеленого цвета и двух ячеек. В одной из них хранится сухая пленка из нанокристаллической целлюлозы, на поверхности которой находятся углеродные точки, а во второй — раствор диметилсульфоксида и воды. Соотношение жидкостей зависит от температуры, которую нужно соблюдать. Например, если в помещении надо сохранить -68 °C, тогда в растворе будет 33% воды, а если нужен другой диапазон температур, объем воды изменится. Когда температурный режим нарушается, система «диметилсульфоксид/вода» плавится и проливается на пленку с углеродными точками, в результате чего при включении зеленой LED-лампы считывателя точки начинают светиться в оранжевом диапазоне. Таким образом ученые могут понять, повысилась ли температура или осталась на прежнем уровне.

«Несмотря на то, что ячейки с углеродными точками и раствором в измерителе можно использовать только один раз, это можно рассмотреть как преимущество устройства. Если однажды система "диметилсульфоксид/вода" расплавится и пропитает пленку с углеродными точками, то вернуть систему в исходное состояние уже невозможно. Так мы однозначно поймем, что температура в помещении изменилась», — добавила Анастасия Навроцкая.

Датчик температуры, разработанный учеными, — уже готов, в будущем исследователи планируют подать патент на устройство и вывести его на рынок.

Подробнее об исследовании: Anastasiya Navrotskaya, Darya Aleksandrova, Mahshid Chekini, Ilya Yakavets, Sina Kheiri, Elena Krivoshapkina and Eugenia Kumacheva Nanostructured Temperature Indicator for Cold Chain Logistics (ACS Nano, 2022).

Работа выполнена при поддержке мегагранта министерства науки и высшего образования России (проект № 075-15-2019-1896) и гранта Совета по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (программы Canada Research Chair program и Discovery grant).