Бабочки вдохновили: ученые создали сверхточный водородный датчик, работающий на энергии света

Некоторые специалисты видят в водороде топливо будущего с потенциалом для обслуживания энергоемких отраслей, таких как авиация, судоходство и производство. Поскольку водород — это легковоспламеняющийся газ без цвета, запаха и вкуса, он представляет высокую опасность. Поэтому исследования водородных технологий сосредоточены на разработке эффективных сенсоров.

Новые разработки

Ученый-материаловед Илиас Сабри и его коллеги из Австралийского университета RMIT разработали прототип сверхточного датчика, активируемого светом, который работает при комнатной температуре.

Поверхность этого нового датчика покрыта неровными, но тщательно расположенными микроструктурами, имитирующими крыло бабочки. У бабочек такие наноструктуры влияют на отражение света, создавая радужные цвета. Датчик использует эти микроскопические неровности, называемые фотонными или коллоидными кристаллами, для эффективного улавливания света. Это позволяет ему получать всю необходимую чистую энергию из луча света, но не нагреваться при этом.

Прототип, описанный в журнале ACS Sensors, состоит из электронного чипа, покрытого сначала тонким слоем этих фотонных кристаллов, а затем титано-палладиевым сплавом. Когда чип подвергается воздействию водорода, газ превращается в воду и запускает электрический ток, величина которого указывает точный уровень присутствующего водорода.

Новый чувствительный датчик

Этот прототип опережает любые датчики водорода, представленные в настоящее время на рынке. «Одни датчики могут измерять крошечное количество света, другие могут обнаруживать более высокие концентрации, но им всем нужно много тепла для работы», — объясняет ученый. «Наш датчик водорода может делать все. Он чувствительный, селективный, работает при комнатной температуре, может обнаруживать все уровни», — добавляет он.

Датчик может улавливать водород в концентрациях от 10 частей на миллион (полезно для медицинских диагнозов) и до 40 000 частей на миллион (полезно для обнаружения взрывоопасных количеств).

Поскольку датчик работает на воздействии света, а не тепла, он дешевле и безопаснее в эксплуатации, чем другие коммерчески доступные устройства, которые обычно работают при температуре от 150 до 400 градусов Цельсия. Он также обладает высокой избирательностью и способен точно отличать водород от других газов.

Интеграция водорода

Исследователь Ахмад Канджани говорит, что такой широкий диапазон обнаружения и селективность были бы чрезвычайно полезны, если водород будет интегрирован в энергетическую систему. «Предлагая точную и надежную технологию обнаружения, которая может обнаруживать мельчайшие утечки задолго до того момента, когда они станут опасными, мы надеемся внести свой вклад в развитие водородной экономики, которая может изменить энергоснабжение во всем мире», — говорит он.

Датчик представляет собой электронный чип, покрытый фотонными кристаллами и композитом из титана и палладия. В настоящее время команда работает над патентом и ожидает, что датчик будет применяться в различных областях, включая улучшение здоровья человека.

Многие желудочно-кишечные расстройства связаны с повышенным уровнем водорода в кишечнике. Пациентам обычно ставят диагноз, используя образец выдыхаемого воздуха, обработанный в лаборатории. Но исследователи считают, что их датчик можно встроить в портативное устройство. Тем самым можно получить немедленные результаты. «В условиях кишечника разница между здоровыми и вредными уровнями водорода ничтожна. Она составляет всего 10 частей на миллион. Но наш датчик может точно измерить такие крошечные различия», — говорит Ахмад.

Исследование предсказывает, что чувствительность можно улучшить до 2,5 частей на миллион. Это также будет полезно в водородных топливных элементах или аккумуляторной технологии. Датчики тока способны обнаруживать утечки водорода, когда они достигают 1-2% в воздухе, что довольно близко к 4% — порогу, при котором водород становится взрывоопасным.

Использование длинных волн

«Мы пытаемся посмотреть на это из расчета уровня частей на миллион, чтобы мы могли уловить тот момент, когда утечка только возникнет», — говорит Ахмад Канджани. Чтобы повысить чувствительность своего устройства, команда попробует сделать его многослойным, используя разные длины волн света и варьируя материалы.

Источник

1 - 1
Posted by admin/Posted ago