灵感来自蝴蝶翅膀的低温氢气传感器

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这种传感器由沉积在芯片表面的微小空心球制成,球体之间的最大间隙约为2微米

科学家研究发现,蝴蝶翅膀上绚丽多彩的颜色一般由色素色、结构色和某些混合色形成。结构色是一种由翅膀鳞片的特殊结构而形成的光学现象,其光子学纳米结构,可使外来光线发生不同的折射、干涉、绕射,然后反射出部份特殊光频率的光线从而产生灿烂的金属光泽。据麦姆斯咨询报道,澳大利亚皇家墨尔本理工大学的一组研究人员由此获得灵感,发明了一种高精度的新型氢气传感器。这款传感器可以在室温下工作,有望在氢燃料工业储存等领域获得应用,这项研究还有望推动非侵入性医疗诊断新技术的发展。

氢能源作为一种很有前途的可再生清洁能源,在世界范围内获得了广泛重视,人们利用大型基础设施来储存越来越多的氢气。不过,由于这种气体极易燃烧,因此需要高精度的传感器来检测空气中泄露的微量氢气。目前的商用氢气传感器通过金属氧化物层与氢相互作用时电阻的变化来检测氢气。然而,这类氢气传感器通常需要超过150℃的温度才能工作,而且,它们对其它类型的气体也很敏感,这限制了其工业应用。

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中空TiO2微壳结构的SEM图像

皇家墨尔本理工大学的Sabri和Kandjani研究团队采用了一种更为复杂的方案,摈弃加热条件,利用光辅助来探测氢气。他们的灵感来自于一些蝴蝶翅膀上有序排列的小凸起图案,这些图案非常有利于翅膀吸收光线。为了模仿这种结构,研究人员设计了一种光子晶体纳米结构,制造了一种空心TiO2纳米球晶格,并将其沉积在电子芯片上。然后,他们在器件上涂敷了一层钛钯复合材料,以增强其灵敏度。

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低温氢气传感器

在光线照射激发下,传感器的表面会使氢气和氧气发生反应生成水。水改变了传感器的电阻,从而实现空气中氢含量的精确测量。这款传感器的独特优势是它可以在室温下工作,测量浓度范围覆盖10~40000 ppm。当氢气浓度高到有爆炸危险时,它可以及时发出警报。此外,这款传感器可以区分氢气和其它气体,选择性超过93%。

这款传感器采用成熟的工艺制造,因此该团队有信心实现规模量产,以将其拓展到氢燃料电池等广泛的应用领域。此外,通过检测胃肠道疾病患者呼吸中产生的氢气,可以实现非侵入性诊断和监测。因此,这款传感器凭借卓越的微量氢气检测能力,还可以用于非侵入性医疗诊应用。

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