Технология может обнаруживать утечки водорода задолго до того, как они представляют угрозу безопасности, и может измерять крошечные количества газа в дыхании людей для диагностики заболеваний кишечника.
Коммерческие датчики водорода работают только при температурах 150 ° C или выше, но прототип, разработанный исследователями из Университета RMIT в Мельбурне, Австралия, работает от света, а не от тепла.
Датчик, основанный на неровной микроструктуре, имитирующей поверхность крыльев бабочки, подробно описан в новом исследовании, опубликованном в журнале ACS Sensors.
Со-ведущий исследователь д-р Илиас Сабри сказал, что прототип был масштабируемым, рентабельным и предлагал полный набор функций, которые не могут быть сопоставлены ни одним датчиком водорода, представленным в настоящее время на рынке.
«Некоторые датчики могут измерять крошечные количества, другие могут обнаруживать более высокие концентрации; всем им для работы требуется много тепла», – сказал Сабри.
"Наш датчик водорода может делать все это – он чувствительный, селективный, работает при комнатной температуре и может обнаруживать во всем диапазоне уровней."
Датчик может обнаруживать водород в концентрациях от 10 частей на миллион молекул (для медицинских диагнозов) до 40000 частей на миллион (уровень, при котором газ становится потенциально взрывоопасным).
Один из ведущих исследователей д-р Ахмад Канджани сказал, что широкий диапазон обнаружения делает его идеальным как для медицинского использования, так и для повышения безопасности в условиях развивающейся водородной экономики.
«Водород может стать топливом будущего, но мы знаем, что опасения по поводу безопасности могут повлиять на доверие общественности к этому возобновляемому источнику энергии», – сказал он.
«Предоставляя точную и надежную технологию обнаружения, которая может обнаруживать мельчайшие утечки задолго до того, как они станут опасными, мы надеемся внести свой вклад в развитие водородной экономики, которая может преобразовать энергоснабжение во всем мире."
Удары бабочки: как работает датчик
Инновационное ядро нового датчика состоит из крошечных сфер, известных как фотонные или коллоидные кристаллы.
Эти полые формы, похожие на крошечные бугорки на поверхности крыльев бабочек, представляют собой высокоупорядоченные структуры, которые очень эффективно поглощают свет.
Эта эффективность означает, что новый датчик может потреблять всю энергию, необходимую для работы, от луча света, а не от тепла.
Доктор философии и первый автор Эбтсам Аленези сказал, что датчик комнатной температуры безопаснее и дешевле в эксплуатации по сравнению с коммерческими датчиками водорода, которые обычно работают при температуре от 150 ° C до 400 ° C.
«Фотонные кристаллы позволяют нашему датчику активироваться светом, а также обеспечивают структурную согласованность, которая имеет решающее значение для надежного обнаружения газа», – сказала она.
«Постоянная структура, постоянное качество изготовления и стабильные результаты имеют жизненно важное значение – и это то, что природа дала нам с помощью этих биоинспирированных форм.
«Хорошо разработанный процесс производства фотонных кристаллов также означает, что нашу технологию легко масштабировать до промышленного уровня, поскольку можно быстро производить одновременно сотни датчиков."
Для изготовления датчика на электронный чип сначала наносится тонкий слой фотонных кристаллов, а затем – титано-палладиевый композит.
Когда водород взаимодействует с чипом, газ превращается в воду.
Этот процесс создает электронный ток, и, измеряя величину тока, датчик может точно определить, сколько водорода присутствует.
В отличие от многих коммерческих датчиков, которые борются с присутствием оксида азота, новая технология отличается высокой избирательностью, поэтому она может точно изолировать водород от других газов.
Медицинские приложения
Поскольку известно, что повышенный уровень водорода связан с желудочно-кишечными расстройствами, эта технология имеет большой потенциал для использования в медицинской диагностике и мониторинге.
В настоящее время стандартный диагностический подход основан на образцах дыхания, которые отправляются в лаборатории для обработки.
Сабри сказал, что новый чип можно интегрировать в портативное устройство для получения мгновенных результатов.
«В условиях кишечника разница между здоровым и нездоровым уровнем водорода мала – всего 10 частей на миллион – но наш датчик может точно измерить такие крошечные различия», – сказал он.
На технологию была подана предварительная заявка на патент, и исследовательская группа надеется сотрудничать с производителями датчиков водорода, топливных элементов, аккумуляторов или компаниями медицинской диагностики для коммерциализации датчика.