07.12.2020 - RMIT University

Neuer schmetterlingsinspirierter Wasserstoffsensor wird mit Licht betrieben

Lichtaktivierter Sensor liefert bei Raumtemperatur präzise Ergebnisse: Für Medizin und Wasserstoffwirtschaft

Inspiriert von der Oberfläche von Schmetterlingsflügeln haben Forscher einen lichtaktivierten Wasserstoffsensor entwickelt, der bei Raumtemperatur ultrapräzise Ergebnisse liefert.

Die Technologie kann Wasserstofflecks erkennen, bevor sie Sicherheitsrisiken darstellen, und winzige Mengen des Gases in der Atemluft von Menschen messen, um Darmstörungen zu diagnostizieren.

Kommerzielle Wasserstoffsensoren funktionieren nur bei Temperaturen von 150°C oder höher, aber der von Forschern der RMIT-Universität in Melbourne, Australien, entwickelte Prototyp wird mit Licht statt mit Wärme betrieben.

Der Sensor, der auf holprigen Mikrostrukturen basiert, die die Oberfläche von Schmetterlingsflügeln imitieren, wird in einer neuen Studie beschrieben, die in der Zeitschrift ACS Sensors veröffentlicht wurde.

Co-Lead-Forscherin Dr. Ylias Sabri sagte, der Prototyp sei skalierbar, kosteneffektiv und biete ein Gesamtpaket an Funktionen, das von keinem derzeit auf dem Markt erhältlichen Wasserstoffsensor erreicht werden könne.

"Einige Sensoren können winzige Mengen messen, andere können größere Konzentrationen erkennen; sie alle benötigen viel Wärme, um zu funktionieren", sagte Sabri.

"Unser Wasserstoffsensor kann das alles - er ist empfindlich, selektiv, arbeitet bei Raumtemperatur und kann über einen ganzen Bereich von Niveaus erfassen.

Der Sensor kann Wasserstoff in Konzentrationen von nur 10 Teilen pro Million Moleküle (für medizinische Diagnosen) bis hin zu 40.000 Teilen pro Million Moleküle (dem Niveau, bei dem das Gas potenziell explosiv wird) nachweisen.

Co-Lead-Forscher Dr. Ahmad Kandjani sagte, der breite Detektionsbereich mache ihn ideal sowohl für den medizinischen Gebrauch als auch für die Erhöhung der Sicherheit in der aufkommenden Wasserstoffwirtschaft.

"Wasserstoff hat das Potenzial, der Kraftstoff der Zukunft zu sein, aber wir wissen, dass Sicherheitsbedenken das Vertrauen der Öffentlichkeit in diese erneuerbare Energiequelle beeinträchtigen könnten", sagte er.

"Durch die Bereitstellung präziser und zuverlässiger Sensortechnologie, die kleinste Lecks aufspüren kann, lange bevor sie gefährlich werden, hoffen wir, einen Beitrag zur Förderung einer Wasserstoffwirtschaft zu leisten, die die Energieversorgung auf der ganzen Welt verändern kann.

Schmetterlingsbeulen: Wie der Sensor funktioniert

Der innovative Kern des neuen Sensors besteht aus winzigen Kugeln, die als photonische oder kolloidale Kristalle bekannt sind.

Diese Hohlformen, die den winzigen Beulen auf der Oberfläche von Schmetterlingsflügeln ähneln, sind hochgeordnete Strukturen, die Licht äußerst effizient absorbieren.

Diese Effizienz bedeutet, dass der neue Sensor die gesamte Energie, die er zum Betrieb benötigt, aus einem Lichtstrahl und nicht aus Wärme beziehen kann.

Der promovierte Forscher und Erstautor Ebtsam Alenezy sagte, der Raumtemperatursensor sei sicherer und billiger im Betrieb, im Vergleich zu kommerziellen Wasserstoffsensoren, die typischerweise bei 150C bis 400C arbeiten.

"Die photonischen Kristalle ermöglichen es unserem Sensor, durch Licht aktiviert zu werden, und sie bieten auch die strukturelle Konsistenz, die für eine zuverlässige Gassensorik entscheidend ist", sagte sie.

"Eine konsistente Struktur, gleichbleibende Herstellungsqualität und konsistente Ergebnisse sind von entscheidender Bedeutung - und genau das hat uns die Natur mit diesen bioinspirierten Formen geliefert.

"Der gut entwickelte Herstellungsprozess für photonische Kristalle bedeutet auch, dass unsere Technologie leicht auf industrielles Niveau skalierbar ist, da Hunderte von Sensoren schnell auf einmal hergestellt werden könnten.

Zur Herstellung des Sensors wird ein elektronischer Chip zunächst mit einer dünnen Schicht photonischer Kristalle und dann mit einem Titan-Palladium-Verbundwerkstoff überzogen.

Wenn Wasserstoff mit dem Chip in Wechselwirkung tritt, wird das Gas in Wasser umgewandelt. Dieser Prozess erzeugt einen elektronischen Strom, und durch die Messung der Grösse des Stroms kann der Sensor genau sagen, wie viel Wasserstoff vorhanden ist.

Im Gegensatz zu vielen kommerziellen Sensoren, die mit der Anwesenheit von Stickstoffoxid zu kämpfen haben, ist die neue Technologie sehr selektiv, so dass sie Wasserstoff genau von anderen Gasen isolieren kann.

Medizinische Anwendungen

Angesichts der erhöhten Wasserstoffkonzentrationen, die bekanntermaßen mit Magen-Darm-Erkrankungen in Verbindung stehen, hat die Technologie ein großes Potenzial für den Einsatz in der medizinischen Diagnose und Überwachung.

Gegenwärtig erfolgt die Standard-Diagnose mittels Atemgasproben, die zur Verarbeitung an Labors geschickt werden.

Sabri sagte, der neue Chip könne in ein Handgerät integriert werden, um sofortige Ergebnisse zu liefern.

"Bei Darmbeschwerden ist der Unterschied zwischen gesunden und ungesunden Wasserstoffkonzentrationen verschwindend gering - nur 10 Teile pro Million - aber unser Sensor kann solche winzigen Unterschiede genau messen", sagte er.

Für die Technologie wurde eine vorläufige Patentanmeldung eingereicht, und das Forschungsteam hofft auf eine Zusammenarbeit mit Herstellern von Wasserstoffsensoren, Brennstoffzellen, Batterien oder medizinischen Diagnosefirmen, um den Sensor kommerziell zu vermarkten.

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