日常設備中的狗鼻子：採用透氣材料化學製成的新一代氣體感應器


狗的鼻子被認為是世界上其中一種至為強大的感應器。經過訓練的狗隻甚至能夠藉著嗅聞病人身體，即可偵測到多種臨床狀況，例如血糖和膽固醇水平飆升的情況。在日常的臨床檢驗當中，我們需要一種更加實用、更具成本效益的“嗅聞”方法。我的博士研究項目重點是開發一種新方法，使用一種稱為金屬有機框架的材料，將一個類似於“狗鼻子”的系統整合到我們的日常設備裏。


圖 1：Alex 身處化學實驗室和納米工程無塵室 — 其研究跨越材料科學、化學和納米設備技術等不同學科

日常最廣為人知的電子鼻是呼吸分析儀。接受呼吸測試的司機向呼吸分析儀呼氣時，藏在這個設備裏的感應器便會將受測試者呼吸中的濃度進行對比，從而測量他們體內的酒精含量。酒精分子與呼吸分析儀中的活性感應材料之間的化學相互作用會轉化為電子訊號，讓調查員讀取結果。人的呼吸中的酒精相對較易偵測出來，因為酒精有特定的化學成分，而且酒精的濃度一般較高（即使受測試者沒有過量喝酒）。但是，我們的呼吸中包含著很多由濃度非常低的氣體分子組成的複雜混合物。要構建先進的電子鼻來偵測低濃度的特定分子並不容易（這裏的低濃度是指百萬分點濃度 (ppm) 級別，大約相當於一個奧運規格泳池裏的一滴水）。幸好，化學和材料科學能夠為克服這一限制提供解決方案。現在，我們可以使用一種稱為金屬有機框架 (MOF) 的材料來構建未來靈敏度甚高的電子鼻。


圖 2：什麽是金屬有機框架？它們有什麼獨特之處？

透氣材料由於具有氣體吸附性能（感應器和氣體儲存）、實現化學過程的能力（化學品生產的催化作用）、能量儲存能力（電池及其組件）以及另外多種優勝的應用特性，因而引起了科學界和工業界極大的興趣。金屬有機框架是這些透氣材料的一個子分類，是在納米層面的非常微小的透氣海綿（尺寸只有人類頭髮直徑大約 10 萬分之一）。它們具有一些適合作為高價值應用的獨特特性，例如可供整合到微電子設備之中。此外，這種在納米層面的海綿狀行為還可供用作高性能的隔離器，用以開發新一代的超級電腦所使用的速度更快的微處理器。

這怎樣能當狗鼻子使用？

人的呼吸裏含有多種氣體分子，可用來推斷個人的健康狀況。與某些種類的疾病（例如肺癌）相關的特定氣體分子是很難用普通的感應器偵測得到的。由於這些氣體分子在分子層面上有特定的形狀和大小，我們可以因應特定的氣體分子來調整金屬有機框架的形狀，而該金屬有機框架將被整合到電子設備之中，作為靈敏度高的感應器。這些金屬有機框架的形狀和大小可加以特別設計，從而讓我們區分想要偵測的目標分子，例如可在人的呼吸中追踪到的疾病標記、有毒氣體、甚至食物變壞後的氣味。你和醫生可以根據你的呼吸裏某些分子的水平，知道是否應該對你的肺部進行更詳細的檢查。這些感應器的用途也可加以調整，用來檢驗家居或工作環境裏的空氣質量，又或者用來檢查已放在冰箱裏好幾天的剩菜是否仍然適合食用。


圖 3：這些功能可如何整合到智能手機當中？

為了在電子設備上實現金屬有機框架的工業規模整合，供作為這些用途的透氣材料之製造過程便需要符合一系列的嚴格要求：

  • 那些金屬有機框架材料應可以以非常薄的薄膜形式進行沉積；及
  • 那些金屬有機框架材料應可在使用極少甚至無需任何溶劑的情況下進行加工。

上述條件是至今為止已經在這方面進行測試的透氣材料（例如金屬有機框架）所遇上的關鍵技術瓶頸。在我的博士研究裏，採用製作微孔塗層的方法來解決以上兩個困難。這方法是我們實驗室最近開發，用來處理這類材料的技術，在沒有溶劑的情況下進行金屬有機框架薄膜沉積。

在溶液基礎上進行的金屬有機框架合成程序（通常是經過粉末製備實現）具有做法簡單、成本效益較高的優勢，但為實現設備整合，就必須要能將金屬有機框架製作成為可與生產設施兼容的塗層。傳統的製作方法仍然存在一些困難，例如發生腐蝕、污染和對製造過程缺乏控制等情況。此外，採用可持續的過程製造功能性材料，向來是綠色產業和環保工業流程的支柱之一。我的研究旨在藉著採用一種無溶劑、工業級別、可調整規模並與無塵室兼容的過程，來消除妨礙金屬有機框架在電子設備中實現商業整合的製造相關障礙。在此，我們對金屬有機框架採用了化學氣相沉積 (CVD) 的處理方法，這也是微製造技術的一個基石。

CVD 是一種主要的製造方法。它是一種幾乎可應用於所有材料（包括從太陽能電池以至老花眼鏡）的過程，也是生產先進電子產品所需的半導體製造過程的其中一個關鍵步驟。將CVD 方法擴展至這些類似海綿的金屬有機框架，將可產生高性能材料，以滿足固態設備日益嚴格的規格要求，即擴充摩爾定律。在原型 CVD 方法中，基質（通常是矽晶片）暴露於多種揮發性前體之下。這些前體會在基質表面發生反應，並沉積得出具有所需厚度和特性的薄膜。這可以是一個連續或批量處理的過程，通常能夠在一次暴露運作中塗覆數十甚至數百塊晶片。在開發的過程中，我們採用經輕微修改的 CVD 程序，在不使用溶劑的情況下生產金屬有機框架薄膜。這個新方法包括前體沉積步驟（通常採用金屬氧化物），然後對下一個前體進行蒸氣暴露（有機連接劑在特定溫度下揮發）。採用這種方法，能夠實現金屬有機框架薄膜的沉積，而且即使在複雜的幾何形態（例如有較高的深寬比特徵）上也可以做到一致的薄膜厚度，且可以對其進行控制和微調。此外，這種沉積技術可在達到無塵室製造標準的大型反應器上面使用。在學術和大規模生產場所裏，這一過程配合現有的微製造工序時所展現出的規模調節性，已證實有助於將金屬有機框架整合到與設備相關的應用上。


圖 4：化學氣相沉積

來源︰Cruz, A. J., Stassen, I. Krishtab, M., Marcoen, K., Stassin, T., Rodríguez-Hermida, S., Teyssandier, J., Pletincx, S., Verbeke, R., Rubio-Giménez, V., Tatay, S., Martí-Gastaldo, C., Meersschaut, J., Vereecken, P. M., De Feyter, S., Hauffman, T., and Ameloot, R., Integrated cleanroom process for the vapor-phase deposition of large-area zeolitic imidazolate framework thin films. Chemistry of Materials 31 (22), 9462−9471 (2019)

在更廣泛的範圍內，這種新開發的過程將會充分利用金屬有機框架的巨大潛在工業用途（例如數碼、光伏、數據儲存及感應器等方面的用途）。此研究項目為提升這項技術的應用規模踏出了第一步。這項技術可以容易地被工業規模設施採用，以測試這些塗層在高價值行業中的性能表現。這項技術是一個重要的里程碑，標誌著利用新穎、先進的應用方法達成商業效用的工作開啓了一個新階段。

通過採用 CVD，我們開發出一些方法，能夠以價錢廉宜、高效率和可調節規模的方式，將這些金屬有機框架材料整合到日常的電子設備。因此，到某一天，智能電話裏的這些金屬有機框架不單可以用來在機場偵測毒品（好像是緝毒犬的鼻子那樣），還可以用於某些種類疾病的初期診斷，是對醫療保健行業作出革命性改變的一個巨大潛力。

參考資料︰


  1. https://www.sciencefiguredout.be/dogs-nose-your-smartphone
  2. https://amelootgroup.org/
  3. Cruz, A. J., Arnauts, G., Obst, M., Kravchenko, D., Vereecken, P. M., De Feyter, S., Stassen, I., Hauffman, T., and Ameloot, R., Effect of different oxide and hybrid precursors on MOF-CVD of ZIF-8 films. Dalton Transactions 50, 6784-6788 (2021) Link to Publisher
  4. Cruz, A. J., Stassen, I. Krishtab, M., Marcoen, K., Stassin, T., Rodríguez-Hermida, S., Teyssandier, J., Pletincx, S., Verbeke, R., Rubio-Giménez, V., Tatay, S., Martí-Gastaldo, C., Meersschaut, J., Vereecken, P. M., De Feyter, S., Hauffman, T., and Ameloot, R., Integrated cleanroom process for the vapor-phase deposition of large-area zeolitic imidazolate framework thin films. Chemistry of Materials 31 (22), 9462−9471 (2019). Link to Publisher
  5. Krishtab, M., Stassen, I., Stassin, T., Cruz, A. J., Okudur, O. O., Armini, S., Wilson, C., De Gendt, S., and Ameloot, R., Vapor-deposited zeolitic imidazolate frameworks as gap-filling ultra-low-k dielectrics. Nature Communications 10, 3729 (2019).
  6. Smets, J., Cruz, A. J., Rubio-Giménez, V., Tietze, M. L., Kravchenko, D. E., Arnauts, G., Matavž, A., Wauteraerts, N., Tu, M., Marcoen, K., Imaz, I., Maspoch, D., Korytov, M., Vereecken, P. M., De Feyter, S., Hauffman, T., and, Ameloot, R., Molecular Layer Deposition of Zeolitic Imidazolate Framework-8 Films. Chemistry of Materials, (2023). Link to Publisher

作者︰ Dr Alexander John Cruz, Technology Integration Leader - Climate Technology Solutions, Baker Hughes

Alex 是 Baker Hughes 氣候技術解決方案的工程與科技整合主管，負責監督研發、工程策略、能力發展和創新工作。單是在 2022 年，Alex 便已獲得 "國際純化學和應用化學聯合會 (IUPAC) 與索爾維傑出科學家獎"以及"ALLY Energy 環境、社會、管治與氣候冠軍獎"。此外，他在多個能源轉型領域的不同行業團體擔任職位，包括是國際能源署溫室氣體研究計劃執行委員會委員。他具有生物科學工程和工程科學雙博士學位。

2023年6月