Новости

8 февраля, 2021 18:37

Предложен новый датчик для определения концентрации углекислого газа

Источник: Полит.ру
Ученые cконструировали на основе метаматериалов датчик, поверхность которого при поглощении углекислого газа испускает световую волну — по ее длине можно определить концентрацию CO2 в воздухе. Датчик компактный, не реагирует на наличие других веществ и помогает получить данные о количестве углекислого газа с небольшой погрешностью. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Sensors.
Источник: Getty images
Схема, используемая для обнаружения газа CO2 с помощью метода опроса по длине волны: a) тонкий слой функционального слоя PHMB нанесен на метаповерхность; b) реакция между газом CO2 и амидосодержащими функциональными группами. Источник: Kazanskiy et al. /
3 / 4
Источник: Getty images
Схема, используемая для обнаружения газа CO2 с помощью метода опроса по длине волны: a) тонкий слой функционального слоя PHMB нанесен на метаповерхность; b) реакция между газом CO2 и амидосодержащими функциональными группами. Источник: Kazanskiy et al. /

Концентрация углекислого газа в воздухе составляет около 400 частей на миллион. В районах, рядом с которыми расположены промышленные предприятия, норма содержания CO2 выше примерно в 1,5 раза — 600 ч/млн. 

Концентрация больше 800 ч/млн считается вредной для здоровья человека. Увеличение количества углекислого газа в воздухе не только влияет на самочувствие, но и приводит к глобальному потеплению. Поэтому в мире растет потребность в точных датчиках, которые смогут отслеживать концентрацию парниковых газов.

Сегодня для этого используют недисперсионную инфракрасную спектроскопию. Датчик состоит из инфракрасного источника, измерительной камеры, фильтра длины волны и инфракрасного детектора. Перед детектором установлен оптический фильтр, он поглощает весь свет, кроме определенной длины волны, которая может быть захвачена молекулами измеряемого газа. Когда газ попадает в камеру, его концентрация измеряется благодаря поглощению определенной длины волны в инфракрасном спектре.

Предлагаемый учеными датчик отличается от аналогов своим небольшим размером. На его оптическую подложку нанесены слои хрома, золота и кремния. Из кремния сделаны наноразмерные цилиндры, так называемые метаатомы. Расположенные в некотором порядке, они формируют поверхность метаматериала с уникальными свойствами, которых нет в природе. Верхний, функциональный слой датчика состоит из полимера полигексаметилена бигуанидина, который используется, например, как антисептик.

Механизм работы заключается в измерении длины волны отраженного света, который улавливается с помощью фотодетектора, а он используется для преобразования фотонов в ток. Когда газ CO2 попадает в камеру, он поглощается слоем полигексаметилен бигуанидина. После этого показатель преломления слоя уменьшается, а свет отражается под углом 45 градусов. Изменение показателя преломления слоя полигексаметилена, а также сдвиг длины волны отраженного света относительно исходного зависят от концентрации газа. Преимущество предлагаемого датчика заключается в том, что он не вызывает нежелательного изменения показателя преломления в слое полимера и не фиксирует уровень содержания других газов в воздухе — например, азота и водорода. Кроме того, можно настраивать электромагнитные характеристики материала и получать определенные оптические свойства — например, изменить уровень поглощения света и таким образом обнаружить большие концентрации углекислого газа.

«Во время работы мы провели численное исследование и получили зависимость показателя преломления слоя полигексаметилена бигуанидина от концентрации газообразного CO2. Точность работы датчика мы подтвердили при помощи десяти повторяющихся циклов измерений. Мы каждый раз подавали 50 ч/млн углекислого газа на датчик, а также продували камеру азотом. Анализ показал, что датчик показывает концентрацию углекислого газа с погрешностью ± 20 ч/млн и не берет во внимание N2», — рассказал участник исследования, профессор кафедры технической кибернетики Самарского университета Николай Казанский.

26 марта, 2021
Найден способ облегчить предсказание поведения физической модели
Сотрудники Института проблем машиноведения РАН создали новую теорию, позволяющую предсказывать повед...
23 марта, 2021
Ученые расширят перечень пригодных для 3D-печати материалов
Ученые Томского государственного университета и ИФПМ СО РАН предложили новый способ 3D-принтинга, ко...