受蝴蝶翅膀表面的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了一種光激活氫傳感器，該傳感器在室溫下可產(chǎn)生超高精度結(jié)果。該技術(shù)可以在氫氣泄漏構(gòu)成安全隱患之前就對其進(jìn)行檢測，并且可以測量人們呼吸中的少量氣體，以診斷腸道疾病。

商用氫傳感器只能在150°C或更高的溫度下工作，但是由澳大利亞墨爾本皇家墨爾本理工大學(xué)的研究人員開發(fā)的，其原型是由光而不是熱量驅(qū)動的。

該傳感器基于模仿蝴蝶翅膀表面的凹凸微結(jié)構(gòu)，在《ACS傳感器》雜志上發(fā)表的一項新研究中有詳細(xì)介紹。

共同首席研究員Ylias Sabri博士說，該原型機(jī)具有可擴(kuò)展性，成本效益，并提供了目前市場上任何氫傳感器無法比擬的全部功能。

薩布里說：“有些傳感器只能測量極少量，有些可以檢測到較大的濃度；它們都需要大量的熱量才能工作。而我們的氫傳感器不僅靈敏，且選擇性強(qiáng)，可在室溫下工作，并且可以檢測整個水平范圍。”

該傳感器可以檢測到濃度范圍從百萬分之10的分子（用于醫(yī)學(xué)診斷）到40,000百萬（該氣體可能爆炸的水平）的氫氣。

共同首席研究員艾哈邁德·坎賈尼博士（Ahmad Kandjani）說，廣泛的檢測范圍使其成為新興的氫經(jīng)濟(jì)中醫(yī)療用途和增強(qiáng)安全性的理想之選。

他說：“氫氣有潛力成為未來的燃料，但我們知道，安全隱患可能會影響公眾對這種可再生能源的信心。”

“我們希望通過提供精確而可靠的傳感技術(shù)來檢測微小的泄漏，甚至早在泄漏變得危險之前，我們希望為推動氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)，從而可以改變?nèi)澜绲哪茉垂?yīng)。”

受到蝴蝶啟發(fā)的傳感器如何工作？

新傳感器的創(chuàng)新核心點(diǎn)在于：它由稱為光子或膠體晶體的微小球體組成。

這些空心形狀類似于在蝴蝶翅膀表面上發(fā)現(xiàn)的微小凸起，是高度有序的結(jié)構(gòu)，在吸收光方面非常有效。

這種效率意味著新傳感器可以從光束而不是熱量中吸收其運(yùn)行所需的所有能量。

這些微小的空心球（稱為光子晶體）是新型氫傳感器的創(chuàng)新核心，它受到蝴蝶翅膀凹凸不平的表面的啟發(fā)。（圖像放大40,000倍）

博士 研究人員和第一作者Ebtsam Alenezy表示，與通常在150C至400C下運(yùn)行的商用氫傳感器相比，該室溫傳感器更安全，更便宜。 她說：“光子晶體使我們的傳感器能夠被光激活，它們還提供了對可靠的氣體感應(yīng)至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)一致性。具有一致的結(jié)構(gòu)，一致的制造質(zhì)量和一致的結(jié)果至關(guān)重要，而這正是自然界通過這些具有生物靈感的形狀為我們帶來的。

“成熟的光子晶體制造工藝也意味著我們的技術(shù)很容易擴(kuò)展到工業(yè)水平，因為可以一次快速生產(chǎn)數(shù)百個傳感器。”

為了制造傳感器，首先用光子晶體的薄層覆蓋電子芯片，然后用鈦鈀復(fù)合材料覆蓋。

當(dāng)氫與碎片相互作用時，氣體轉(zhuǎn)化為水。這個過程會產(chǎn)生一個電子電流，通過測量電流的大小，傳感器可以準(zhǔn)確地分辨出有多少氫存在。

與許多在氮氧化物存在下掙扎的商用傳感器不同，該新技術(shù)具有很高的選擇性，因此可以準(zhǔn)確地將氫氣與其他氣體隔離。

該傳感器由電子芯片制成，該電子芯片被一層薄薄的光子晶體覆蓋，然后被鈦鈀復(fù)合材料覆蓋。

醫(yī)療應(yīng)用

由于已知?dú)錃馑缴吲c胃腸道疾病有關(guān)，該技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷和監(jiān)測中具有強(qiáng)大的潛力。

當(dāng)前，標(biāo)準(zhǔn)的診斷方法是通過呼吸樣本，將其送至實驗室進(jìn)行處理。

薩布里說，新芯片可以集成到手持設(shè)備中，以提供即時結(jié)果。

他說：“在腸道條件下，健康的氫水平與不健康的水平之間的差異很小，僅為百萬分之十。但是我們的傳感器可以準(zhǔn)確地測量出如此微小的差異。”
編輯：hfy