植物体内叶绿素的合成与分解代谢受到外界环境(光、温度等)的影响,并导致植物叶片发生颜色变化。受此启发,作者设计出可在高温下发生化学结构转变,形成与叶绿素结构类似的酞菁环结构的邻苯二腈作为分子传感器PMS。PMS可在高温下形成酞菁环,并发生变色。
研究发现,在约180 °C时,部分PMS发生化学结构变化并形成酞菁环,PMS的颜色从白色变为绿色;而在更高的温度下,部分PMS会形成氮掺杂的炭,颜色从绿色变为黑色。PMS从白色变成绿色的温度(180 °C)远高于室温,且低于大多数化合物(化学品,木材,聚合物材料等)的自燃温度。PMS分子传感器在正常应用温度下稳定,但会引发火灾的异常高温下发生智能变色,释放变色传感信号,这一特性赋予了PMS火灾探测预警功能。
将PMS混入乳胶漆中即可制备火灾探测预警器件,在275°C(潜在火灾高温)的模拟实验中,该器件可以响应高温,并产生变色信号,肉眼约2min可以观测到明显的变色;进一步将高温智能变色器件与图像识别技术结合,设计可捕获器件变色信号和可探测潜在火灾的智能识别算法并编写预警APP程序。图像识别算法的引入不仅极大地缩短了变色信号的识别时间还具有在线远程监控预警功能。该火灾探测预警器件可在20 s内探测到潜在火灾(275°C)以及3 s内明火预警。
研究为新一代火灾预警器件的开发与制备提供了全新思路,对推动早期/极早期火灾预警技术走向实际应用具有重要意义。该工作得到国家自然科学基金重点项目(21634006)等项目的资助,相关成果以“Bioinspired Color Changing Molecular Sensor toward Early Fire Detection Based on Transformation of Phthalonitrile to Phthalocyanine”题目发表在Advanced Functional Materials,并以“A Plant-Inspired Approach for Early Fire Detection”题目被Advanced Science News作为亮点报道。该论文第一作者为博士研究生付腾,通讯作者为王玉忠教授和汪秀丽教授。
全文链接: https://doi.org/10.1002/adfm.201806586
Advanced Science News链接: https://www.advancedsciencenews. ... rly-fire-detection/