Skip to main content

Article Category

Story

Article available in the folowing languages:

Najważniejsze wiadomości - Nowy czujnik optyczny może "dostrzegać" niebezpieczne związki chemiczne

Elektryczność w parze z niektórymi gazami i cieczami może tworzyć niebezpieczne, a nawet wybuchowe, połączenie. Jednak nawet w nieprzyjaznych środowiskach gazowych i ciekłych potrzebne są czujniki, monitorujące na przykład wycieki w ogniwach paliwowych, czy też skład lub kwasowość chemikaliów przemysłowych. Finansowani ze środków UE naukowcy opracowali rozwiązanie optyczne, które jest nie tylko łatwiejsze w instalacji, ale też, co zaskakujące, znacznie bardziej dokładne niż większość istniejących czujników chemicznych.

Gospodarka cyfrowa

Stworzone w ramach projektu Dotsense * czujniki bazują na innowacyjnym zastosowaniu kropek kwantowych i nanodrutów - niewielkich półprzewodników, tysiące razy mniejszych niż średnica ludzkiego włosa. Struktury te, zbudowane z półprzewodników z grupy III-azotków (Al,In)GaN, czyli stabilnych chemicznie materiałów o doskonałych właściwościach opto-elektronicznych, pod wpływem nawet najmniejszych zmian w środowisku chemicznym zmieniają swoje właściwości fotoluminescencyjne. "Jak dotychczas w technologii sensorycznej stosowano wiele różnych podejść, w tym, na przykład, korzystanie z nanodrutów jako czujników chemicznych, jednak podejścia te zawsze bazowały na pomiarach przewodnictwa elektrycznego. Oznacza to konieczność umieszczenia w badanym środowisku styków elektrycznych oraz mierzenie zmian oporu elektrycznego nanodrutów w różnorakich środowiskach chemicznych", tłumaczy Dr Martin Eickhoff, koordynator projektu Dotsense i pracownik Uniwersytetu Justusa Liebiga w Giessen w Niemczech. "W przypadku naszego podejścia czynności te nie są konieczne. Bazuje ono bowiem na w pełni optycznej analizie". Zamiast przesyłać przez nanostruktury prąd i mierzyć opór elektryczny, uczestnicy projektu Dotsense stworzyli zintegrowany czujnik, pracujący wyłącznie w oparciu o światło. Przetwornik optyczny, w formie miliardów "kropek kwantowych" lub "nanodysków" GaN lub InGaN umieszczany jest w badanym środowisku gazowym lub ciekłym, a przez przezroczysty substrat, będący jednocześnie uszczelnieniem, w razie pobudzenia czujnika przebija się światło. Własności fotoluminescencyjne nanostruktur ulegają zmianie w zależności od obecności poszczególnych substancji chemicznych w badanym środowisku, co powoduje zmianę natężenia światła emitowanego przez przetwornik. Zmiany te mogą następnie być rejestrowane przy użyciu komercyjnych fotodetektorów. "Wykorzystujemy zarówno czułość chemiczną nanostruktury, jak i ich wysoki stosunek powierzchni do objętości, nie musząc jednocześnie martwić się o złożone technologie obróbki - wdrożenie tego rodzaju systemu i korzystanie z niego wymaga znacznie mniejszego wysiłku technologicznego", zauważa Dr Eickhoff. Powyższe podejście ma liczne zalety. Jest mniej skomplikowane, gdyż bazuje wyłącznie na promieniach świetlnych i nie wymaga ani styków elektrycznych, ani systemu pomiarowego. Czujniki mogą pracować w znacznie niższych temperaturach, niż ma to miejsce w przypadku tradycyjnych systemów sensorycznych. Ponadto, ponieważ przez monitorowane środowisko przesyłane jest światło, a nie prąd elektryczny, powyższe rozwiązanie jest znacznie bardziej bezpieczne, zwłaszcza w przypadku gazów lub cieczy, które są palne, sprężone lub wybuchowe. Firma EADS Innovation Works, członek konsorcjum Dotsense, zainteresowana jest zastosowaniem czujników opto-chemicznych na przykład w branży lotniczej, w której bezpieczeństwo i niezawodność stanowią kluczowe elementy. "W przypadku samolotów czujniki te mogłyby nadzorować jakość wody i płynów hydraulicznych, także monitorować wycieki gazu lub paliwa", zauważa Dr Eickhoff. "Gdy rozpoczęliśmy prace nad projektem Dotsense, zastosowania lotnicze były naszym priorytetem, szybko jednak zdaliśmy sobie sprawę, że istnieje szereg dodatkowych zastosowań powyższej technologii, w wielu innych gałęziach przemysłu". Bardziej dokładne niż czujniki elektryczne Chociaż podstawowym celem projektu Dotsense, wspartego przez Komisję Europejską kwotą 1,2 milionów euro, było opracowanie czujników chemicznych, które nie wymagają styków elektrycznych, uczestnicy projektu odkryli, że w niektórych przypadkach stworzone przez nich rozwiązanie jest znacznie bardziej dokładne, niż jego elektryczne odpowiedniki. "Naszym celem nie było co prawda opracowanie bardziej czułego urządzenia, jednak finalnie okazało się, że nanostruktury optyczne mogą być znacznie bardziej dokładne, niż czujniki elektryczne", twierdzi Dr Eickhoff. "Oczywiście mieliśmy nadzieję, że tak jest, jednak nie mogliśmy mieć pewności przed przeprowadzeniem testów. W połączeniu z pozostałymi zaletami naszego rozwiązania, otwiera to wrota do szerokiej gamy zastosowań". Dr Eickhoff jako przykłady podaje wykrywanie gazów w środowiskach przemysłowych lub w kontekście domowych czujników dymu, a także zastosowania w dziedzinie opieki zdrowotnej oraz w przemyśle spożywczym, gdzie powyższe czujniki mogłyby monitorować skład płynów. "Istnieje wiele zastosowań dla tego rodzaju czujników. Przedstawicielom wielu gałęzi przemysłu podoba się to, że nie ma potrzeby stosowania styków elektrycznych ani przesyłania prądu przez badany ośrodek - kluczowe zalety takiego stanu rzeczy to bezpieczeństwo i niezawodność", tłumaczy koordynator projektu Dotsense. Mimo to powyższa technologia jest wciąż nieco odległa od zastosowań komercyjnych. Uczestnikom projektu Dotsense udało się pokonać kluczowe wyzwania techniczne, takie jak przetwarzanie światła emitowanego przez przetworniki na widmo widzialne, by mogło być wzbudzane przez diody elektroluminescencyjne i wykrywane przy użyciu stosunkowo niedrogich, komercyjnych fotodetektorów, kontrolowanie rozrostu nanostruktur oraz zrozumienie procesów foto-elektrycznych, zachodzących na powierzchni nanostruktur w różnych środowiskach chemicznych. Potrzebne są jednak dalsze badania, zauważa Dr Eickhoff. Po części z powyższego powodu uczestnicy projektu Dotsense rozpoczęli pracę nad projektem stanowiącym jego kontynuację, o nazwie "Sinomics", którego celem jest zintegrowanie diod elektroluminescencyjnych i fotodetektorów z nanostrukturami w ramach pojedynczego układu, w celu opracowania innowacyjnych urządzeń pozwalających monitorować i wykrywać gazy. "Jestem optymistą i wierzę, że w najbliższych latach powyższa technologia znajdzie szereg zastosowań, a także stanie się tańsza i bardziej opłacalna z komercyjnego punktu widzenia, co umożliwi produkcję całkowicie optycznych czujników", twierdzi Dr Eickhoff. Projekt Dotsense uzyskał wsparcie finansowe w ramach Siódmego Programu Ramowego UE (7PR). Użyteczne odnośniki: - Strona internetowa projektu "Kropki kwantowe z grupy III-azotków jako optyczne przetworniki dla czujników chemicznych" - 'Group III-nitride quantum dots as optical transducers for chemical sensors' - Informacje na temat projektu Dotsense w bazie danych CORDIS Odnośne publikacje: - "Finansowani przez UE naukowcy testują nowy materiał półprzewodnikowy" - 'EU-funded team puts new semi-conductor material to the test' - "Uczestnicy finansowanego przez UE projektu przygotowują układy elektroniczne do pracy w trudnych warunkach" - EU project to toughen up electronics for use in extreme environments - "Uczestnicy finansowanego przez UE projektu NEMSIC pracują nad ulepszeniem technologii sensorycznej" - 'EU project NEMSIC targets better sensor detection technology'