受蝴蝶翅膀表面的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了一種光激活氫傳感器，該傳感器在室溫下可產(chǎn)生超高精度結(jié)果。該技術(shù)可以在氫氣泄漏構(gòu)成安全隱患之前就對其進(jìn)行檢測，并且可以測量人們呼吸中的少量氣體，以診斷腸道疾病。

商用氫傳感器只能在150°C或更高的溫度下工作，但是由澳大利亞墨爾本皇家墨爾本理工大學(xué)的研究人員開發(fā)的，其原型是由光而不是熱量驅(qū)動的。

該傳感器基于模仿蝴蝶翅膀表面的凹凸微結(jié)構(gòu)，在《ACS傳感器》雜志上發(fā)表的一項新研究中有詳細(xì)介紹。

共同首席研究員Ylias Sabri博士說，該原型機具有可擴展性，成本效益，并提供了目前市場上任何氫傳感器無法比擬的全部功能。

薩布里說：“有些傳感器只能測量極少量，有些可以檢測到較大的濃度；它們都需要大量的熱量才能工作。而我們的氫傳感器不僅靈敏，且選擇性強，可在室溫下工作，并且可以檢測整個水平范圍。”

該傳感器可以檢測到濃度范圍從百萬分之10的分子（用于醫(yī)學(xué)診斷）到40,000百萬（該氣體可能爆炸的水平）的氫氣。

共同首席研究員艾哈邁德·坎賈尼博士（Ahmad Kandjani）說，廣泛的檢測范圍使其成為新興的氫經(jīng)濟中醫(yī)療用途和增強安全性的理想之選。

他說：“氫氣有潛力成為未來的燃料，但我們知道，安全隱患可能會影響公眾對這種可再生能源的信心。”

“我們希望通過提供精確而可靠的傳感技術(shù)來檢測微小的泄漏，甚至早在泄漏變得危險之前，我們希望為推動氫經(jīng)濟發(fā)展做出貢獻(xiàn)，從而可以改變?nèi)澜绲哪茉垂?yīng)。”

受到蝴蝶啟發(fā)的傳感器如何工作？

新傳感器的創(chuàng)新核心點在于：它由稱為光子或膠體晶體的微小球體組成。

這些空心形狀類似于在蝴蝶翅膀表面上發(fā)現(xiàn)的微小凸起，是高度有序的結(jié)構(gòu)，在吸收光方面非常有效。

這種效率意味著新傳感器可以從光束而不是熱量中吸收其運行所需的所有能量。

這些微小的空心球（稱為光子晶體）是新型氫傳感器的創(chuàng)新核心，它受到蝴蝶翅膀凹凸不平的表面的啟發(fā)。（圖像放大40,000倍）

博士 研究人員和第一作者Ebtsam Alenezy表示，與通常在150C至400C下運行的商用氫傳感器相比，該室溫傳感器更安全，更便宜。 她說：“光子晶體使我們的傳感器能夠被光激活，它們還提供了對可靠的氣體感應(yīng)至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)一致性。具有一致的結(jié)構(gòu)，一致的制造質(zhì)量和一致的結(jié)果至關(guān)重要，而這正是自然界通過這些具有生物靈感的形狀為我們帶來的。

“成熟的光子晶體制造工藝也意味著我們的技術(shù)很容易擴展到工業(yè)水平，因為可以一次快速生產(chǎn)數(shù)百個傳感器。”

為了制造傳感器，首先用光子晶體的薄層覆蓋電子芯片，然后用鈦鈀復(fù)合材料覆蓋。

當(dāng)氫與碎片相互作用時，氣體轉(zhuǎn)化為水。這個過程會產(chǎn)生一個電子電流，通過測量電流的大小，傳感器可以準(zhǔn)確地分辨出有多少氫存在。

與許多在氮氧化物存在下掙扎的商用傳感器不同，該新技術(shù)具有很高的選擇性，因此可以準(zhǔn)確地將氫氣與其他氣體隔離。

該傳感器由電子芯片制成，該電子芯片被一層薄薄的光子晶體覆蓋，然后被鈦鈀復(fù)合材料覆蓋。

醫(yī)療應(yīng)用

由于已知氫氣水平升高與胃腸道疾病有關(guān)，該技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷和監(jiān)測中具有強大的潛力。

當(dāng)前，標(biāo)準(zhǔn)的診斷方法是通過呼吸樣本，將其送至實驗室進(jìn)行處理。

薩布里說，新芯片可以集成到手持設(shè)備中，以提供即時結(jié)果。

他說：“在腸道條件下，健康的氫水平與不健康的水平之間的差異很小，僅為百萬分之十。但是我們的傳感器可以準(zhǔn)確地測量出如此微小的差異。”
編輯：hfy