火災是威脅工業(yè)生產(chǎn)和公眾安全的災害之一。在火災形成時，易燃材料快速燃燒，釋放大量熱量和有毒煙氣，造成不可逆轉(zhuǎn)的火災事故。相比于火災發(fā)生后的滅火救援，開發(fā)先進的火災預警技術及使用阻燃化材料可變“被動滅火”為“主動防火”，防火于未燃，是從根本上預防和杜絕火災發(fā)生的有效措施。

    現(xiàn)有的感溫和感煙預警技術主要是通過熱量輻射或煙霧顆粒到達傳感器來觸發(fā)警報，易受使用環(huán)境影響而產(chǎn)生誤報和延遲預警（>100 s）；圖像型探測技術受限于其檢測信號（僅能檢測明火或煙霧），即必須在火災發(fā)生后才能進行預警，無法做到防火于未燃。目前工業(yè)場所和公共場所，尤其是一旦火災發(fā)生將造成不可逆轉(zhuǎn)危害的場所（如發(fā)電站、核電站、化工廠、危化品倉庫、博物館及商場等）的火災提前預警問題亟待解決。

    四川大學王玉忠教授團隊受到自然界中的植物葉綠素的代謝和分子結構啟發(fā)，設計制備出可在潛在火災的高溫下發(fā)生智能變色的分子傳感器（Precursor Molecular Sensor，PMS），并將其與圖像識別算法相結合，發(fā)展了一種防火于未燃的極早期潛在火災和早期火災的探測預警技術，可實現(xiàn)20 s內(nèi)潛在火災高溫響應（275°C）和3 s內(nèi)明火預警（預警技術示意圖如圖1所示）。

圖1 火災探測預警技術示意圖

    植物體內(nèi)葉綠素的合成與分解代謝受到外界環(huán)境（光、溫度等）的影響，并導致植物葉片發(fā)生顏色變化。受此啟發(fā)，作者設計出可在高溫下發(fā)生化學結構轉(zhuǎn)變，形成與葉綠素結構類似的酞菁環(huán)結構的鄰苯二腈作為分子傳感器PMS（圖2）。

    圖2（a）分子傳感器的設計靈感，（b）鄰苯二腈高溫變色過程

    將PMS混入乳膠漆中即可制備火災探測預警器件，在275°C（潛在火災高溫）的模擬實驗中，該器件可以響應高溫，并產(chǎn)生變色信號，肉眼約2min可以觀測到明顯的變色（圖3）。進一步設計可捕獲傳感器變色信號進行潛在火災探測的智能識別算法并編寫APP程序（如圖4），圖像識別算法的引入極大地縮短了變色信號的識別時間，在275°C的高溫模擬實驗中，可在20 s內(nèi)探測到潛在火災的高溫（275°C）和3 s內(nèi)明火預警。

圖3（a）火災預警器件的制備示意圖，（b）潛在火災高溫模擬實驗

圖4變色傳感器與圖像識別算法交叉結合實現(xiàn)火災探測預警

    該研究工作“Bioinspired Color Changing Molecular Sensor toward Early Fire Detection Based on Transformation of Phthalonitrile to Phthalocyanine”發(fā)表在Advanced Functional Materials。該研究為新一代火災預警器件的開發(fā)與制備提供了全新思路，對推動早期/極早期火災預警技術走向?qū)嶋H應用具有重要意義。該文的第一作者是博士研究生付騰，通訊作者是王玉忠教授和汪秀麗教授，該工作得到國家自然科學基金重點項目（21634006）等項目的資助。

    參考文獻：

    https://doi.org/10.1002/adfm.201806586

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責任編輯：王元

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