火災(zāi)是威脅工業(yè)生產(chǎn)和公眾安全的災(zāi)害之一。在火災(zāi)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(zāi)事故。相比于火災(zāi)發(fā)生后的滅火救援，開發(fā)先進(jìn)的火災(zāi)預(yù)警技術(shù)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(yù)防和杜絕火災(zāi)發(fā)生的有效措施。

    現(xiàn)有的感溫和感煙預(yù)警技術(shù)主要是通過熱量輻射或煙霧顆粒到達(dá)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(yù)警（>100 s）；圖像型探測技術(shù)受限于其檢測信號（僅能檢測明火或煙霧），即必須在火災(zāi)發(fā)生后才能進(jìn)行預(yù)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(zāi)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(zāi)提前預(yù)警問題亟待解決。

    四川大學(xué)王玉忠教授團(tuán)隊受到自然界中的植物葉綠素的代謝和分子結(jié)構(gòu)啟發(fā)，設(shè)計制備出可在潛在火災(zāi)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(jié)合，發(fā)展了一種防火于未燃的極早期潛在火災(zāi)和早期火災(zāi)的探測預(yù)警技術(shù)，可實現(xiàn)20 s內(nèi)潛在火災(zāi)高溫響應(yīng)（275°C）和3 s內(nèi)明火預(yù)警（預(yù)警技術(shù)示意圖如圖1所示）。

圖1 火災(zāi)探測預(yù)警技術(shù)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(dǎo)致植物葉片發(fā)生顏色變化。受此啟發(fā)，作者設(shè)計出可在高溫下發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，形成與葉綠素結(jié)構(gòu)類似的酞菁環(huán)結(jié)構(gòu)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(shè)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(zāi)探測預(yù)警器件，在275°C（潛在火災(zāi)高溫）的模擬實驗中，該器件可以響應(yīng)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(jìn)一步設(shè)計可捕獲傳感器變色信號進(jìn)行潛在火災(zāi)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(zāi)的高溫（275°C）和3 s內(nèi)明火預(yù)警。

圖3（a）火災(zāi)預(yù)警器件的制備示意圖，（b）潛在火災(zāi)高溫模擬實驗

圖4變色傳感器與圖像識別算法交叉結(jié)合實現(xiàn)火災(zāi)探測預(yù)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(zāi)預(yù)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(zāi)預(yù)警技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)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(xué)基金重點項目（21634006）等項目的資助。

    參考文獻(xiàn)：

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

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