Цвет

Простое изменение цвета может указывать на наличие потенциально опасного газообразного водорода благодаря новому датчику, разработанному исследователями из Германии. Устройство микронного размера, в котором используются так называемые «супрачастицы», которые меняют цвет с фиолетового на розовый в присутствии водорода, может помочь предотвратить взрывы, упрощая обнаружение и локализацию утечек на заправочных станциях, генераторах и трубопроводах.

Водород, производимый с использованием возобновляемых источников энергии, является экологически чистым топливом и может сыграть важную роль в переходе к более устойчивым источникам энергии. Однако он чрезвычайно легко воспламеняется и потенциально взрывоопасен в присутствии воздуха, а его бесцветность и отсутствие запаха затрудняют его обнаружение. В оптических датчиках водорода, как правило, используются сложные структуры, такие как наноантенны, источники света, оптические волокна и электронные устройства управления, для преобразования оптического сигнала в читаемый ответ, в то время как «газохромные» (то есть меняющие цвет) датчики водорода часто изготавливаются в виде тонких пленки конкретных подложек, в результате чего образуется хрупкая многослойная структура.

Консорциум ученых из FAU Эрланген-Нюрнберг, координируемый Якобом Райхштейном из исследовательской группы Карла Манделя, теперь создал альтернативный датчик водорода, используя супрачастицы с тремя компонентами: наночастицы кремнезема, наночастицы золота-палладия (Au-Pd) и индикаторный краситель. называется резазурин. Команда объединила эти три ингредиента в водную дисперсию, которую распылили для получения маленьких капель. Затем они поместили капли в горячую камеру в процессе, известном как распылительная сушка. Райхштейн объясняет, что когда растворитель испаряется, наночастицы и молекулы красителя сближаются, образуя структуру, известную как мезопористый супрачастичный каркас, доступный для таких газов, как водород.

Поскольку частицы в структуре поглощают воду из атмосферы, они образуют трехфазную систему, которая позволяет молекулам резазурина свободно распространяться. По сути, Райхштейн говорит, что вода действует как транспортная среда, перенося молекулы красителя резазурина к каталитически активным наночастицам Au-Pd. В присутствии водорода резазурин восстанавливается (то есть захватывает атом водорода), образуя родственное химическое вещество — резоруфин. Если водород продолжает присутствовать – как в случае продолжающейся утечки – происходит дополнительная реакция восстановления, превращающая резоруфин в гидрорезоруфин.

«Вызванное водородом восстановление резазурина сопровождается отчетливым двухэтапным изменением цвета супрачастиц: сначала необратимо с фиолетового на розовый, а затем обратимо до бесцветного состояния», — объясняет Райхштейн. «Эти изменения можно увидеть невооруженным глазом».

Райхштейн говорит, что разработанные командой суперчастицы, определяющие водород, имеют несколько возможных применений. Частицы диаметром от 1 до 10 мкм достаточно малы, чтобы их можно было включать в качестве добавок или пигментов в различные материалы, включая покрытия трубопроводов и защитную одежду. Это позволяет легко использовать их для быстрого обнаружения водорода и точной локализации утечек практически в любой интересующей точке.

Датчик водорода вдохновлен крыльями бабочки

Исследователи, которые сообщают о своей работе в Advanced Functional Materials, планируют оптимизировать свои супрачастицы до тех пор, пока они не смогут «полностью реализовать свой потенциал, реализовать их в реальных приложениях и, таким образом, внести вклад в более безопасную водородную экономику». «В настоящее время мы исследуем и улучшаем чувствительность супрачастиц, а также их долговременную стабильность», — заключает Райхштейн. «Мы также проверяем газохромную функциональность супрачастиц в покрытиях».