I ricercatori guidati dall'Institute of Science di Tokyo hanno creato un sensore avanzato a nanostruttura in grado di rilevare rapidamente concentrazioni bassissime di idrogeno gassoso, segnando un notevole passo avanti nella sicurezza industriale.
L'idrogeno, spesso salutato come il combustibile pulito del futuro, sta rapidamente guadagnando terreno come fonte di energia sostenibile. Nonostante i suoi numerosi vantaggi, la natura altamente infiammabile dell'idrogeno comporta rischi significativi. Per mitigare queste preoccupazioni sulla sicurezza, un team di ricercatori guidato da Yutaka Majima, professore presso l'Institute of Science Tokyo, ha sviluppato un sensore rivoluzionario in grado di rilevare l'idrogeno gassoso a concentrazioni ultra basse quasi istantaneamente. Questa innovazione è stata descritta in dettaglio in uno studio pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials.
Il sensore di nuova concezione è realizzato con nanofili di ossido di rame policristallino a nano-modelli (CuO NW) ed è montato su un substrato di silicio con elettrodi di platino/titanio. Questa configurazione consente al sensore di rilevare l'idrogeno a concentrazioni minuscole come 5 parti per miliardo (ppb), un miglioramento sostanziale rispetto ai precedenti sensori basati su CuO.
Sorprendentemente, il sensore riesce a rilevare la presenza di idrogeno in soli 7 secondi e a tornare alle condizioni normali in soli 10 secondi.
"Abbiamo utilizzato la litografia a fascio di elettroni e l'ossidazione ex situ in due fasi per sviluppare un processo affidabile e riproducibile per la preparazione di sensori di gas idrogeno CuO nanowire-nanogap ad alte prestazioni e nanomodellati con vuoti, che è notevolmente diverso dai convenzionali nanowire CuO monocristallini indipendenti direttamente coltivati da fonti di rame", ha affermato Majima in un comunicato stampa.
Il funzionamento del sensore si basa sul rilevamento di spostamenti nella resistenza elettrica dei CuO NW. Nell'aria ambiente, le molecole di ossigeno aderiscono alla superficie dei CuO NW, formando ioni di ossigeno e innescando uno strato di portatori di carica positiva, o buchi, vicino alla superficie.
Quando è presente gas idrogeno, reagisce con questi ioni di ossigeno di superficie per produrre acqua, riducendo successivamente la concentrazione di buchi. Ciò determina un aumento della resistenza all'interno dei NW, segnalando la presenza di idrogeno.
I ricercatori hanno introdotto una fase di pre-ricottura in un ambiente ricco di idrogeno, seguita da una lenta ossidazione in aria secca per migliorare le prestazioni del sensore. Questo processo ha trasformato i nanofili di rame appena fabbricati da forme rettangolari in archi semicircolari, aumentandone la cristallinità. L'ossidazione converte successivamente i Cu NW in CuO, arricchendo la superficie con vuoti che aumentano i siti attivi disponibili per l'interazione tra idrogeno e ossigeno.
In un altro significativo miglioramento, il team ha ridotto lo spazio tra gli elettrodi a 33 nm. Questa riduzione ha rafforzato il campo elettrico, accelerando il movimento dei portatori di carica e, quindi, accelerando la risposta del sensore. Di conseguenza, il sensore ha rilevato 1,000 ppm di idrogeno in appena 5 secondi.
Sottolineando il potenziale più ampio della loro tecnica, Majima ha aggiunto: "Continueremo a sviluppare una gamma più ampia di sensori di gas con questo processo per fabbricare sensori anche per altri gas pericolosi".
Questo sviluppo rivoluzionario promette di trasformare i protocolli di sicurezza dell'idrogeno in contesti industriali. Facilitando il rilevamento precoce delle perdite e garantendo un monitoraggio affidabile dei livelli di idrogeno, il sensore potrebbe svolgere un ruolo fondamentale nel promuovere l'adozione sicura e diffusa delle tecnologie dell'idrogeno. Questo progresso è in linea con gli sforzi globali per la transizione verso un'economia basata sull'idrogeno, rivoluzionando potenzialmente il modo in cui le industrie gestiscono e trattano l'idrogeno gassoso.