Un gruppo di scienziati dell'Università Federale Siberiana (SFU, Krasnojarsk, Russia) e il Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry (NIIC, Novosibirsk, Russia) hanno combinato le proprietà utili delle ftalocianine metalliche e delle membrane di palladio per creare strati attivi nei rilevatori di idrogeno. Questa operazione aumenta notevolmente la sensibilità dei sensori. Lo studio è riportato sulle riviste Coloranti e pigmenti e Giornale internazionale dell'energia dell'idrogeno .

I sensori ad alta sensibilità per il rilevamento dei gas sono molto importanti per l'ambiente, in quanto consentono agli scienziati di effettuare una valutazione qualitativa e quantitativa del contenuto di vari gas nell'aria (ad esempio, monossido di carbonio o ammoniaca pericolosi). I dati ottenuti aiutano a combattere l'inquinamento. D'altra parte, lì i sensori svolgono un ruolo importante in medicina. C'è una malattia chiamata malassorbimento:quelli a cui è stata diagnosticata espirano più idrogeno. Se realizziamo sensori ad alta sensibilità in grado di rilevare un piccolo aumento della concentrazione di idrogeno, questa malattia può essere diagnosticata con successo.

I rivelatori discussi nel documento hanno una struttura a tre strati. Nella parte inferiore è presente un substrato (che è anche un elettrodo conduttore) a cui è applicato un film di ftalocianine (composti eterociclici di colore blu scuro), e infine, uno strato di palladio su questo film. Non è facile produrre un sensore del genere. Per fare questo, è necessario ottenere un film sottile di ftalocianine, e poi depositare uno strato di palladio sopra. Per ottenere questo metallo, vengono utilizzati precursori (composti organici che contengono atomi di palladio). Dopo il riscaldamento, si decompongono, i frammenti organici evaporano, e gli atomi di metallo formano uno strato con la struttura e lo spessore richiesti.

Il sensore funziona così:l'idrogeno penetra facilmente nel palladio, e, agendo sulla superficie del film di ftalocianina, cambia la sua conduttività. "I film sottili di ftalocianina sono essi stessi semiconduttori. Ed è dal cambiamento di conduttività che possiamo giudicare se l'idrogeno è "aggrappante" o meno, e in quale concentrazione è contenuto nell'aria, " disse Pavel Krasnov, dottorato di ricerca in fisica e matematica, ricercatore senior presso l'Istituto di nanotecnologie, Spettroscopia e chimica quantistica delle SFU.

Gli autori hanno ottenuto e studiato la struttura cristallina di film sottili di ftalocianine di palladio, così come il modo in cui la sua struttura è alterata dagli atomi di fluoro (che agiscono come sostituenti). La ftalocianina è una molecola piatta con atomi di idrogeno ai bordi. In precedenza, gli autori dell'articolo hanno mostrato che l'introduzione di atomi di fluoro nella struttura della ftalocianina aumenta la risposta sensoriale (indicatore di sensibilità) di questi composti, poiché interagiscono con le molecole di gas. Il fluoro è un elemento più elettronegativo rispetto all'idrogeno, per cui è in grado di "tirare" più elettroni da altri atomi di ftalocianina, compreso l'atomo di metallo situato al centro. Un aumento della carica positiva di un atomo di metallo promuove un legame più forte delle molecole di gas, poiché tale legame nasce prevalentemente dal meccanismo donatore-accettore. Una molecola di gas è un donatore di elettroni (dà elettroni), e un atomo di metallo è il loro accettore (li attacca).

Questa ipotesi è stata confermata dagli scienziati della SFU con l'aiuto di calcoli chimici quantistici, e i loro colleghi del NIIC come risultato dello svolgimento diretto del lavoro sperimentale che alla fine ha permesso la prototipazione dei sensori.

Ora, gli scienziati hanno intenzione di continuare il progetto. Vorrebbero testare la possibilità di utilizzare diversi substrati - per "piantare" ftalocianine su strutture di carbonio - cioè, grafene o nanotubi di carbonio. Tale sostituzione darà una risposta più forte e renderà il sensore più sensibile all'idrogeno. La seconda promettente linea di ricerca è quella di rendere più sottile lo strato di palladio (anche per migliorare la risposta del sensore).