科学家研发出可探测气体的智能纱线

文/戎珑

近日，美国塔夫茨大学工程师研发出一种新的纺织染色法。这种染色可使纱线在检测到多种气体时改变颜色。把这种智能纱线制成衣服，可为医疗、车间、军事和救援领域提供可循环使用、易清洗、便宜且安全的产品。该项研究发表在《科学报告》杂志上，它描述了这种制造方法以及可拓展至各种染料的方法。

据介绍，这种技术虽然还不能取代通常用于检测挥发性气体的电子设备精度，但将气体检测技术应用到纺织品中可无需借助设备实现读数，也无需专门培训。这种方法可减少劳动力成本，也使资源成本降低，而使纺织生产从中受益。

该项工艺利用了锰基染料（MnTPP）、甲基红和溴百里酚蓝的变色原理，这些染料原本具有变色的性能。例如，锰基染料与溴百里酚蓝在检测到空气中具有氨气成分时，就会改变颜色；而甲基红能检测到空气中的氯化氢气体。上述气体一般会从清洁用品、化肥和化学品以及材料生产中释放出来。研究人员通过三个步骤将染料“捕获”到纱线里。首先，将纱线浸入染料中，然后用乙酸处理，使表面更加粗糙并使其纤维膨胀，这样使染料与纱线间产生更多的相互结合作用力。最后，用聚二甲硅氧烷（PDMS）处理纱线，在纱线和染料周围创造出一层柔性的物理密封区域，它既可防水也能经受洗涤。重要的是，PDMS具有气体渗透性，允许分析物接触到光学染料。

有些特殊染料暴露在气体中时还能产生其他变色效应。例如，溴百里酚蓝是一种弱酸，当暴露于氨气中时，它可从黄色变为蓝色。相关的智能纱线还可检测低至50ppm的气体。检测结果可通过光谱技术验证，也可在光学图像中肉眼可见。此外，这项工艺还可通过智能手机对颜色变化进行量化，以提高精准度，或检测更为复杂的颜色特征。

据该项目负责人介绍，他们使用的染料应用不同的工艺，因此可检测出不同化学物质的气体。该团队采用简单的染料检测酸性或碱性气体。由于该团队采用一种方法将染料有效地收集到纱线中，而不是过多地依赖于化学键合，所以可更灵活地利用广泛的功能性化学染料来检测不同气体。

测试的染料以一种与气体浓度成正比的方式变色，就像光谱法测量一样。精准度处于光谱仪与人眼之间，因此可采用智能手机读数并对颜色的变化进行量化，或通过更多纱线和染料来分析颜色特征。专家认为，这可扩大规模实现一次测量许多分离物，或通过独特的色差对比的特征来区分分离物。

这种纱线甚至在水中也能工作，如检测出溶液中的氨气。据该项目另一负责人解释，PDMS密封剂是防水的，可使水脱离纱线，但溶解的气体仍可接触到染料，从而进行测试。作为溶解气体的探测设备，该团队设想可将智能织物运用于油气勘探，检测二氧化碳或其他挥发性有机化合物。此外，由于反复洗涤或在水下使用不会稀释染料，因此这种纱线进行多次一致性的量化检测。

(据美国《科学日报》https：//www.sciencedaily.com/releases/2019/04/190404074902.htm;https：//www.thechemicalengineer.com/news/threads-that-change-colour-inresponse-to-certain-gases/等近期资料）