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スマートフォンで有毒ガスを検知するセンサー材料を開発

国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)

NIMS MANAはマサチューセッツ工科大学 (MIT) の研究グループと共同で、有毒ガスに曝されると導電性が大きく上昇するセンサー材料を開発しました。

概要

  1. 国立研究開発法人物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 フロンティア分子グループの石原伸輔主任研究員は、マサチューセッツ工科大学 (MIT) のTimothy M. Swager教授らの研究グループと共同で、有毒ガスに曝されると導電性が大きく上昇するセンサー材料を開発しました。また、鉄道改札などタッチ式カード中に導入されている近距離無線通信(NFC)タグの電子回路内にこのセンサー材料を組み込み、スマートフォンで低濃度 (10ppm) の有毒ガスを短時間 (5秒) で検知できることも実証しました。
  2. 我々が有毒ガスに曝されるリスクは自然現象 (例 : 火山ガス) ・漏洩事故の他に、テロによる可能性も増してきています。手軽にいち早く有毒ガスを検知することができれば、被害を最小限にすることができます。現在実用化されている有毒ガスセンサーは価格・大きさ・重量・操作性などに欠点があり、公共機関 (例 : 地下鉄) に多数設置することや、個人で持ち運ぶことは困難です。
  3. 本研究チームは、分子が弱い相互作用で連結した超分子ポリマーと呼ばれる高分子を用いてカーボンナノチューブ (CNT) 表面を被覆し、求電子性の有毒ガスに曝されると導電性が最大3000%も上昇するセンサー材料を開発しました。CNTは本来電気の流れ易い材料ですが、超分子ポリマーは絶縁被膜の役割を果たしてCNTを電気が流れにくい状態にします。超分子ポリマーの弱い連結部位は、有毒ガスに曝されると選択的に切断されるように設計してあり、有毒ガスによって被覆が破壊されます。その結果、CNTの導電性が元の高い状態に戻ります。導電性の変化量は有毒ガスの濃度と被曝時間に比例し、市販の抵抗計で簡単に検知できます。
  4. このセンサー材料を市販の近距離無線通信 (NFC) タグの電子回路中に組みこむことで、スマートフォンで読み取り可能な有毒ガスセンサーを実現しました。NFC通信可能なスマートフォンをかざし、スマートフォンとNFCタグが通信できるか否かを調べることで、有毒ガスの有無を簡単に判定できます。センサーは使い捨てですが、今回開発した材料が1グラムあれば、400万個のセンサーが作成でき、安価に大量供給できることが利点です。
  5. 今後、超分子ポリマーの分子構造を改変して、更なる高感度・高速化や、様々なタイプの有害化学物質を簡単に検知できる化学センサーを開発していく予定です。また、応用先に適した無線通信技術 (通信距離・消費電力など) を選択し、インターネットクラウド技術との融合を図りながら、安心・安全な社会の実現に貢献できるシステムを開発していきます。
  6. 本研究は、日本学術振興会・海外特別研究員制度の支援を受けてMITにて行われました。
  7. 本研究成果は、2016年6月23日 (米国東部時間) にアメリカ化学会が発行する学術誌「Journal of the American Chemical Society」のオンライン速報版で公開され、MIT Newsでも内容が紹介されています (英語のみ) 。

「プレスリリースの図5 :  スマートフォンとNFCタグを用いた有毒ガスセンサー」の画像

プレスリリースの図5 :  スマートフォンとNFCタグを用いた有毒ガスセンサー




本件に関するお問い合わせ先

(研究内容に関すること)
<日本語>
国立研究開発法人 物質・材料研究機構
国際ナノアーキテクトニクス研究拠点
フロンティア分子グループ
主任研究員 石原伸輔 (いしはらしんすけ)
TEL: 029-860-4602
E-Mail: ISHIHARA.Shinsuke=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
<英語対応のみ>
マサチューセッツ工科大学 化学科
Professor Timothy M. Swager
E-Mail: tswager=mit.edu
([ = ] を [ @ ] にしてください)
(報道・広報に関すること)
国立研究開発法人 物質・材料研究機構
経営企画部門 広報室
〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
TEL: 029-859-2026
FAX: 029-859-2017
E-Mail: pressrelease=ml.nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
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