Schema del rilevamento dell'idrogeno mediante nanoparticelle di palladio. Senza idrogeno presente, le nanoparticelle metalliche di palladio (puntini arancioni) fungono da isole isolate, e la corrente elettrica non può fluire facilmente attraverso il dispositivo. In contrasto, quando il dispositivo è esposto anche a una piccola quantità di idrogeno, gli atomi di idrogeno possono colmare le lacune tra le isole, creando una rete connessa che permetta il passaggio di una grande corrente (linee rosse). Credito:Università di Osaka
Un team dell'Università di Osaka ha inventato un nuovo processo per creare dispositivi di rilevamento ad alta precisione che rispondono alla presenza di gas idrogeno. Controllando attentamente la deposizione di nanoparticelle metalliche su una superficie di silicio, i ricercatori sono riusciti a creare un sensore in grado di rilevare bassi livelli di idrogeno sulla base delle variazioni della corrente elettrica. Questa ricerca può avere importanti vantaggi come parte di un passaggio ai combustibili a base di idrogeno, che potrebbe alimentare le auto a emissioni zero del futuro e aiutare a combattere il cambiamento climatico antropogenico.
Per fabbricare un sensore di idrogeno, i ricercatori hanno depositato palladio metallico su un substrato di silicio. Il palladio depositato forma nanoparticelle sul substrato, e si comportano come minuscole isole che sono eccellenti conduttori di elettricità, ma poiché non formano una rete connessa, la corrente attraverso il dispositivo è molto piccola.
Però, quando sono presenti atomi di idrogeno, vengono assorbiti nelle nanoparticelle di palladio, aumentando il volume delle nanoparticelle, e poi colmare le lacune tra le isole. Infine, si forma un percorso completamente connesso, e gli elettroni possono fluire con molta meno resistenza. In questo modo, anche un piccolo cambiamento nella concentrazione di idrogeno può portare a un massiccio aumento della corrente, quindi i dispositivi possono essere resi molto sensibili.
Una sfida significativa che i ricercatori di Osaka hanno dovuto superare è stata in primo luogo il controllo preciso degli spazi tra le isole da depositare. Se il tempo di deposizione fosse troppo breve, gli spazi tra le nanoparticelle sono troppo ampi e non verrebbero colmati anche in presenza di idrogeno. Al contrario, se il tempo di deposizione fosse troppo lungo, le nanoparticelle formerebbero da sole una rete connessa, anche prima dell'applicazione dell'idrogeno. Per ottimizzare la risposta del sensore, il team di ricerca ha sviluppato un nuovo metodo per monitorare e controllare la deposizione di palladio chiamato risonanza piezoelettrica.
Illustrazione di come la risonanza piezoelettrica può essere utilizzata per valutare la separazione tra le particelle di palladio durante la fabbricazione del dispositivo. Poiché le nanoparticelle di palladio (gialle) vengono aggiunte al campione, il materiale piezoelettrico vibrante ( parallelepipedo rettangolare verde) genera un campo elettrico alternato (frecce blu) in prossimità della superficie del substrato (grigio), creando un flusso di corrente nel palladio depositato (particelle arancioni). Ciò causa la perdita di parte dell'energia vibrazionale del materiale piezoelettrico. Il valore della perdita di energia è maggiore quando le particelle di palladio entrano in contatto tra loro, quindi la deposizione può essere fermata alla concentrazione ottimale di nanoparticelle. Credito:Università di Osaka
"Materiali piezoelettrici, come un cristallo di quarzo in un orologio da polso, può vibrare a una frequenza molto specifica in risposta a una tensione applicata, " spiega l'autore senior Dr. Hirotsugu Ogi. Qui, un pezzo di niobato di litio piezoelettrico è stato impostato per vibrare sotto il campione durante la deposizione di nanoparticelle metalliche. Il piezoelettrico oscillante ha creato un campo elettrico attorno al campione, che a sua volta ha indotto una corrente nel dispositivo che dipendeva dalla connettività della rete di palladio.
Quindi, l'attenuazione dell'oscillazione cambia a seconda della connettività. Perciò, ascoltando il suono (misurando l'attenuazione) del materiale piezoelettrico, la connettività può essere monitorata.
"Ottimizzando il tempo di deposizione utilizzando il metodo della risonanza piezoelettrica, i sensori di idrogeno risultanti erano 12 volte più sensibili di prima, "Il primo autore Dr. Nobutomo Nakamura afferma. "Questi dispositivi possono rappresentare un passo verso un futuro di energia più pulita che coinvolga l'idrogeno".
L'opera è pubblicata in Lettere di fisica applicata come "Controllo preciso della risposta dell'idrogeno di film di palladio semicontinui utilizzando il metodo di risonanza piezoelettrica.".
