Новаторские результаты исследователей недавно были опубликованы в научном журнале Nature Materials. Открытие – оптический наносенсор, заключенный в пластиковый материал. Датчик работает на основе оптического явления – плазмона, которое возникает, когда металлические наночастицы освещаются и захватывают видимый свет.
Датчик просто меняет цвет при изменении количества водорода в окружающей среде.
Пластик вокруг крошечного датчика предназначен не только для защиты, но и как ключевой компонент. Это увеличивает время отклика датчика за счет ускорения поглощения молекул газообразного водорода металлическими частицами, где они могут быть обнаружены. В то же время пластик действует как эффективный барьер для окружающей среды, предотвращая проникновение других молекул и дезактивируя датчик.
Таким образом, датчик может работать как высокоэффективно, так и без помех, что позволяет ему соответствовать строгим требованиям автомобильной промышленности – быть способным обнаруживать 0.1 процент водорода в воздухе менее чем за секунду.
«Мы не только разработали самый быстрый в мире датчик водорода, но и датчик, который стабилен во времени и не деактивируется. В отличие от сегодняшних датчиков водорода, наше решение не нужно так часто калибровать, поскольку оно защищено пластиком », – говорит Ферри Нугрохо, исследователь из отдела физики в Чалмерсе.
Когда он был аспирантом, Ферри Нугрохо и его научный руководитель Кристоф Лангхаммер осознали, что пришли к чему-то большому. Прочитав научную статью, в которой говорилось, что никому еще не удалось достичь строгих требований по времени отклика, предъявляемых к датчикам водорода для будущих водородных автомобилей, они протестировали свой собственный датчик. Они поняли, что были всего в одной секунде от цели – даже не пытаясь ее оптимизировать. Пластик, изначально предназначенный в первую очередь как барьер, справился со своей задачей лучше, чем они могли себе представить, за счет того, что датчик стал быстрее.
Открытие привело к интенсивному периоду экспериментальной и теоретической работы.
"В той ситуации нас ничто не могло остановить.
Мы хотели найти идеальное сочетание наночастиц и пластика, понять, как они работают вместе и что сделало это таким быстрым. Наша упорная работа дала результаты. Всего за несколько месяцев мы достигли необходимого времени отклика, а также базового теоретического понимания того, что этому способствует », – говорит Ферри Нугрохо.
Обнаружить водород сложно во многих отношениях.
Этот газ невидимый и без запаха, но летучий и легко воспламеняющийся. Для производства кислородно-водородного газа, иногда называемого кноллгазом, требуется всего четыре процента водорода в воздухе, который загорается при малейшей искре. Следовательно, чтобы водородные автомобили и связанная с ними инфраструктура будущего были достаточно безопасными, должна быть возможность обнаруживать чрезвычайно малые количества водорода в воздухе. Датчики должны быть достаточно быстрыми, чтобы утечки можно было быстро обнаружить до возникновения пожара.
«Приятно представить датчик, который, мы надеемся, станет частью крупного прорыва в области водородных транспортных средств. Интерес, который мы наблюдаем к индустрии топливных элементов, вдохновляет ", – говорит Кристоф Лангхаммер, профессор кафедры физики Чалмерса.
Хотя цель состоит в том, чтобы в первую очередь использовать водород в качестве носителя энергии, датчик также предоставляет другие возможности. Высокоэффективные датчики водорода необходимы в электроэнергетике, химической и ядерной энергетике, а также могут помочь улучшить медицинскую диагностику.
"Количество водородного газа в нашем дыхании может дать ответ, например, на воспаление и пищевую непереносимость. Мы надеемся, что наши результаты могут быть использованы в широком смысле. Это гораздо больше, чем научная публикация », – говорит Кристоф Лангхаммер.
В конечном итоге есть надежда, что датчик можно будет производить серийно и эффективно, например, с использованием технологии 3D-принтера.
Факты: самый быстрый в мире датчик водорода
Датчик, разработанный Чалмерсом, основан на оптическом явлении – плазмоне, которое возникает, когда металлические наночастицы освещаются и улавливают свет определенной длины волны.
Оптический наносенсор содержит миллионы металлических наночастиц сплава палладий-золото, материала, известного своей губчатой способностью поглощать большое количество водорода.
Затем плазмонный эффект заставляет датчик менять цвет при изменении количества водорода в окружающей среде.
Пластик вокруг датчика не только защищает, но и увеличивает время отклика датчика, помогая молекулам водорода быстрее проникать в металлические частицы и, таким образом, быстрее обнаруживаться.
В то же время пластик действует как эффективный барьер для окружающей среды, потому что никакие другие молекулы, кроме водорода, не могут достичь наночастиц, что предотвращает дезактивацию.
Эффективность датчика означает, что он может соответствовать строгим целевым показателям, установленным автомобильной промышленностью для применения в водородных транспортных средствах будущего, благодаря способности обнаруживать 0.1 процент водорода в воздухе менее чем за одну секунду.
Исследование финансировалось Шведским фондом стратегических исследований в рамках проекта Plastic Plasmonics.