Ricercatori russi hanno sviluppato un meccanismo per rilevare l'idrogeno molecolare utilizzando la luce verde per illuminare un sensore composito nanocristallino basato su ossidi di zinco e indio. Ciò abilita un sensore di gas che funziona a temperatura ambiente. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Rapporti scientifici .

Sono in fase di sviluppo array multisensore per determinare la composizione della miscela di gas. Si tratta di sistemi di monitoraggio che incorporano più sensori che prendono di mira i singoli gas. Tali sensori possono essere utilizzati per analizzare la qualità dell'aria sia all'aperto che in spazi chiusi. Il monitoraggio dell'inquinamento atmosferico rimane una preoccupazione vitale per molti paesi sviluppati. Poiché le comunità residenziali tendono a raggrupparsi intorno alle aree industriali, è necessario disporre di un meccanismo per il controllo delle emissioni nocive provenienti da impianti e fabbriche.

Inoltre, le misurazioni della composizione dell'aria sono necessarie nelle centrali nucleari, su sottomarini e stazioni spaziali, e in altre strutture in cui l'accesso all'aria fresca non è immediatamente disponibile. Se la concentrazione di anidride carbonica aumenta o una sostanza tossica fuoriesce nel sistema di ventilazione, questo potrebbe mettere a rischio la vita del personale.

Anche le miscele di gas commerciali come i combustibili gassosi richiedono un monitoraggio preciso della composizione. Tra questi c'è l'idrogeno. Usato come combustibile a gas, potrebbe plausibilmente sostituire gli idrocarburi. È un combustibile pulito che non rilascia altro che vapore acqueo quando viene bruciato. Inoltre, l'efficienza della combustione dell'idrogeno è dal 10 al 20 percento superiore a quella degli idrocarburi. Alcune case automobilistiche hanno già iniziato a introdurre gradualmente l'idrogeno, considerandolo un carburante del futuro. Eppure il disastro del dirigibile Hindenburg è un triste promemoria di quanto possa essere pericoloso l'idrogeno.

Fino a poco tempo fa, i sensori di gas basati su ossidi metallici nanocristallini avevano temperature di esercizio comprese tra 300 e 500 gradi Celsius. Ciò li rendeva pericolosi per il rilevamento di sostanze esplosive o combustibili. Inoltre, per mantenere queste alte temperature, è necessaria molta potenza, rendendo impossibile incorporare tali sensori di gas nei circuiti stampati di dispositivi portatili.

Risolvere questo problema, il professor Leonid Trakhtenberg del MIPT; Pavel Kashkarov, direttore dell'Istituto di Nano-, Bio-, Informazione, Scienze e Tecnologie Cognitive e Socio-Umanistiche; Alexander Ilin e Pavel Forsh della Lomonosov Moscow State University; e i loro colleghi dell'Istituto di fisica chimica Semenov hanno proposto sensori in grado di funzionare a temperatura ambiente. I loro nuovi sensori nanocompositi sono basati su ossidi di zinco e indio, e la loro efficienza è massimizzata dall'illuminazione a luce verde. Il dispositivo proposto potrebbe essere utilizzato per rilevare combustibili, esplosivo, o sostanze velenose nell'atmosfera anche a basse concentrazioni.

"Il meccanismo consiste nella transizione indotta dalla luce dei componenti del sensore nanocristallino in uno stato di non equilibrio e nel conseguente cambiamento nella fotoconduttività del sensore che interagisce con l'idrogeno molecolare. Questo effetto è legato alla dipendenza della fotoconduttività dal tasso di ricombinazione del portatore di carica non in equilibrio. , " spiega Maria Ikim, uno studente di dottorato presso il Laboratorio di Nanocompositi Funzionali dell'Istituto Semenov di Fisica Chimica dell'Accademia Russa delle Scienze.

"I rilevatori che abbiamo sviluppato differiscono dai sensori a semiconduttore convenzionali in quanto funzionano a temperatura ambiente. Questo elimina il pericolo di combustione o esplosione, quando sono coinvolte sostanze infiammabili o esplosive, " dice Leonid Trakhtenberg del Dipartimento di Fisica Chimica, MIPT, che ha conseguito una ScD in fisica e matematica. "La maggior parte dei documenti sulla fotoattivazione dei sensori discute gli effetti della luce ultravioletta sui sensori e si concentra sul rilevamento dei gas ossidanti. Ma l'efficienza dei diodi a luce ultravioletta è bassa, mentre il loro costo è di gran lunga superiore a quello delle loro controparti che emettono nella parte visibile dello spettro. Lavorando con l'idrogeno, esploriamo le possibilità di rilevamento di gas riducenti."

Il documento propone un nuovo meccanismo di fotoattivazione della risposta del sensore, che è illustrato dall'immagine sopra. Rappresenta la transizione dei portatori di carica in uno stato di non equilibrio. Il processo coinvolto è universale:può essere utilizzato per interpretare i risultati di rilevamento sia nei gas ossidanti che riducenti.

I sensori proposti dagli autori potrebbero essere utilizzati per monitorare la composizione dell'aria atmosferica e analizzare la composizione chimica dei gas utilizzati nei processi industriali. Sebbene lo studio si concentri sui gas, gli stessi sensori potrebbero essere modificati per indirizzare i liquidi.