Ryska forskare har utvecklat en mekanism för att detektera molekylärt väte med hjälp av grönt ljus för att belysa en nanokristallin kompositsensor baserad på zink- och indiumoxider. Detta möjliggör en gassensor som arbetar vid rumstemperatur. Uppsatsen publicerades i tidskriften Vetenskapliga rapporter .

Multisensormatriser för att bestämma gasblandningens sammansättning är under utveckling. Dessa är övervakningssystem som innehåller flera sensorer som riktar sig mot enskilda gaser. Sådana sensorer kan användas för att analysera luftkvaliteten både utomhus och i slutna utrymmen. Att spåra luftföroreningar är fortfarande ett viktigt problem för många utvecklade länder. Eftersom bostadsområden tenderar att samlas kring industriområden, det är nödvändigt att ha en mekanism på plats för att kontrollera skadliga utsläpp från anläggningar och fabriker.

Dessutom, luftsammansättningsmätningar krävs vid kärnkraftverk, på ubåtar och rymdstationer, och vid andra anläggningar där tillgång till frisk luft inte är omedelbart tillgänglig. Om koncentrationen av koldioxid ökar eller ett giftigt ämne läcker in i ventilationssystemet, detta kan äventyra personalens liv.

Kommersiella gasblandningar som gasbränslen behöver också noggrann övervakning av sammansättningen. Bland dem finns väte. Används som gasbränsle, det kan tänkas ersätta kolväten. Det är ett rent bränsle som inte släpper ut annat än vattenånga vid förbränning. Dessutom, effektiviteten för förbränning av väte är 10 till 20 procent högre än för kolväten. Vissa biltillverkare har redan börjat fasa in vätgas och ser det som ett framtida bränsle. Och ändå är Hindenburg-luftskeppskatastrofen en sorglig påminnelse om hur farligt väte kan vara.

Tills nyligen, gassensorer baserade på nanokristallina metalloxider hade driftstemperaturer mellan 300 och 500 grader Celsius. Detta gjorde dem osäkra för detektering av explosiva eller brännbara ämnen. Dessutom, för att upprätthålla dessa höga temperaturer, det krävs mycket kraft, vilket gör det omöjligt att bädda in sådana gassensorer i kretskorten på bärbara enheter.

För att lösa det här problemet, Professor Leonid Trakhtenberg från MIPT; Pavel Kashkarov, direktör för Institute of Nano-, Bio-, Information, Kognitiv och socio-humanistisk vetenskap och teknik; Alexander Ilin och Pavel Forsh från Lomonosov Moscow State University; och deras kollegor från Semenov Institute of Chemical Physics föreslog sensorer som kan fungera vid rumstemperatur. Deras nya nanokompositsensorer är baserade på zink- och indiumoxider, och deras effektivitet maximeras av grönt ljus. Den föreslagna enheten skulle kunna användas för att upptäcka brännbart, explosiv, eller giftiga ämnen i atmosfären även vid låga koncentrationer.

"Mekanismen består av den ljusinducerade övergången av de nanokristallina sensorkomponenterna till ett icke-jämviktstillstånd och den resulterande förändringen i fotokonduktiviteten hos sensorn som interagerar med molekylärt väte. Denna effekt är kopplad till fotokonduktivitetens beroende av icke-jämviktsladdningsbärarens rekombinationshastighet , " förklarar Maria Ikim, en doktorand vid Laboratory of Functional Nanocomposites vid Semenov Institute of Chemical Physics vid Ryska vetenskapsakademin.

"Detektorerna som vi har utvecklat skiljer sig från de konventionella halvledarsensorerna genom att de arbetar i rumstemperatur. Detta eliminerar risken för förbränning eller explosion, när brandfarliga eller explosiva ämnen är inblandade, " säger Leonid Trakhtenberg vid Institutionen för kemisk fysik, MIPT, som har en ScD i fysik och matematik. "De flesta tidningar om sensorfotoaktivering diskuterar effekterna av ultraviolett ljus på sensorer och fokuserar på detektering av oxiderande gaser. Men effektiviteten hos ultravioletta ljusdioder är låg, medan deras kostnad är mycket större än för deras motsvarigheter som släpper ut i den synliga delen av spektrumet. Genom att arbeta med väte, vi utforskar möjligheterna att detektera reducerande gaser."

Tidningen föreslår en ny mekanism för fotoaktivering av sensorrespons, vilket illustreras av bilden ovan. Det står för övergången av laddningsbärare till ett icke-jämviktstillstånd. Processen är universell:den kan användas för att tolka avkänningsresultat i både oxiderande och reducerande gaser.

De sensorer som föreslagits av författarna kan användas för att övervaka atmosfärisk luftsammansättning och analysera den kemiska sammansättningen av gaser som används i industriella processer. Även om studien fokuserar på gaser, samma sensorer skulle kunna modifieras till målvätskor.