Ny sommerfugl-inspireret brintsensor drives af lys

Inspireret af overfladen af ​​sommerfuglevinger, forskere har udviklet en lysaktiveret brintsensor, der producerer ultrapræcise resultater ved stuetemperatur.

Teknologien kan registrere brintlækager i god tid, før de udgør sikkerhedsrisici og kan måle små mængder af gassen på folks ånde, til diagnosticering af tarmsygdomme.

Kommercielle brintsensorer fungerer kun ved temperaturer på 150°C eller højere, men prototypen udviklet af forskere ved RMIT University i Melbourne, Australien, drives af lys i stedet for varme.

Sensoren, baseret på ujævne mikrostrukturer, der efterligner overfladen af ​​sommerfuglevinger, er detaljeret i en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet ACS sensorer .

Co-lead forsker Dr. Ylias Sabri sagde, at prototypen var skalerbar, omkostningseffektiv og tilbød en samlet pakke af funktioner, der ikke kunne matches af nogen brintsensor på markedet i øjeblikket.

"Nogle sensorer kan måle små mængder, andre kan detektere større koncentrationer; de har alle brug for meget varme for at arbejde, " sagde Sabri.

"Vores brintsensor kan det hele - den er følsom, selektiv, virker ved stuetemperatur og kan detektere på tværs af en lang række niveauer."

Sensoren kan detektere brint i koncentrationer fra så lidt som 10 ppm molekyler (til medicinske diagnoser) til 40, 000 dele pr. million (niveauet, hvor gassen bliver potentielt eksplosiv).

Medlederforsker Dr. Ahmad Kandjani sagde, at det brede detektionsområde gjorde det ideelt til både medicinsk brug og til at øge sikkerheden i den nye brintøkonomi.

"Brint har potentiale til at være fremtidens brændstof, men vi ved, at sikkerhedsfrygt kan påvirke offentlighedens tillid til denne vedvarende energikilde, " han sagde.

"Ved at levere præcis og pålidelig sensorteknologi, der kan detektere de mindste lækager, i god tid før de bliver farlige, vi håber at bidrage til at fremme en brintøkonomi, der kan transformere energiforsyninger over hele verden."

Sommerfuglebuler:Sådan fungerer sensoren

Den innovative kerne i den nye sensor består af små kugler kendt som fotoniske eller kolloide krystaller.

Disse hule former, ligner de små ujævnheder, der findes på overfladen af ​​sommerfuglevinger, er højt ordnede strukturer, der er ultraeffektive til at absorbere lys.

Denne effektivitet betyder, at den nye sensor kan trække al den energi, den har brug for til at fungere fra en lysstråle, snarere end fra varme.

Ph.D. Forsker og førsteforfatter Ebtsam Alenezy sagde, at rumtemperatursensoren var sikrere og billigere at køre, sammenlignet med kommercielle brintsensorer, der typisk fungerer ved 150C til 400C.

"De fotoniske krystaller gør det muligt for vores sensor at blive aktiveret af lys, og de giver også den strukturelle konsistens, der er afgørende for pålidelig gassensing, " hun sagde.

"At have en konsistent struktur, ensartet fremstillingskvalitet og ensartede resultater er afgørende - og det er, hvad naturen har leveret til os gennem disse bioinspirerede former.

"Den veludviklede fremstillingsproces for fotoniske krystaller betyder også, at vores teknologi let kan skaleres til industrielle niveauer, da hundredvis af sensorer hurtigt kunne produceres på én gang."

For at lave sensoren, en elektronisk chip er først dækket med et tyndt lag fotoniske krystaller og derefter med en titanium palladium komposit.

Når brint interagerer med chippen, gassen omdannes til vand. Denne proces skaber en elektronisk strøm og ved at måle størrelsen af ​​strømmen, sensoren kan fortælle præcist, hvor meget brint der er til stede.

I modsætning til mange kommercielle sensorer, der kæmper i nærvær af nitrogenoxid, den nye teknologi er meget selektiv, så den nøjagtigt kan isolere brint fra andre gasser.

Medicinske applikationer

Med forhøjede niveauer af brint, der vides at være forbundet med mave-tarmsygdomme, teknologien har et stort potentiale til brug i medicinsk diagnose og overvågning.

I øjeblikket, den standard diagnostiske tilgang er gennem åndeprøver, som sendes til laboratorier til behandling.

Sabri sagde, at den nye chip kunne integreres i en håndholdt enhed for at levere øjeblikkelige resultater.

"Med tarmforhold, forskellen mellem sunde niveauer af brint og usunde niveauer er minimal - kun 10 dele pr. million - men vores sensor kan nøjagtigt måle sådanne små forskelle, " han sagde.

Der er indgivet en foreløbig patentansøgning for teknologien, og forskerholdet håber at samarbejde med producenter af brintsensorer, brændstofceller, batterier eller medicinske diagnostiske virksomheder for at kommercialisere sensoren.