Czujnik na bazie tlenku grafenu ułatwi detekcję gazów
Skuteczne monitorowanie obecności niebezpiecznych gazów w otoczeniu staje się coraz większym wyzwaniem. Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej kontynuują prace nad stworzeniem czujnika, który wykrywałby jak najszerszą ich gamę. W tym celu użyli tlenku grafenu jako materiału absorpcyjnego. Na początek przeprowadzili badania dla dwóch gazów okrzemkowych (azot i wodór), a także mieszaniny propan-butan (LPG – Liquid Petroleum Gas). Wyniki opublikowali w czasopiśmie „Electronics”.
„W Zakładzie Techniki Stosowanej Fizyki szukamy rozwiązań umożliwiających stworzenie czujników światłowodowych z wykorzystaniem różnych materiałów jako elementów absorpcyjnych, które będą zmieniały parametry wiązki świetlnej propagującej się wewnątrz włókna. Zależy nam na stworzeniu małych i niedrogich czujników. W tym celu zbudowaliśmy autorskie stanowisko FOTET (ang. Fiber Optic Taper Element Technology) do modyfikacji włókien światłowodowych. Zmniejszamy na nim średnicę przewężenia, nanosimy na to różne warstwy i na podstawie stworzonych materiałów możemy wykrywać zmiany otoczenia” – mówi dr inż. Karol Stasiewicz z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT.
We współpracy z Instytutem Technologii Materiałów Elektronicznych Sieci Badawczej Łukasiewicz naukowcy WAT pozyskali grafen G-Flake. Umożliwiło to opanowanie technologii nanoszenia bardzo cienkich warstw grafenu. Pozwoliło to zaobserwować, jak owe warstwy będą absorbowały różne gazy, które wykrywane są przez dokonującą się w światłowodzie zmianę parametrów optycznych wiązki.
„W swoich badaniach szukamy różnych materiałów, które moglibyśmy zastosować jako elementy absorpcyjne. Stworzone przez nas przewężki dają dużo możliwości w tym zakresie. Nowe trendy w badaniach pokazują wiele rodzajów wykorzystania materiałów funkcjonalnych w technologii czujników światłowodowych takich jak ciekłe kryształy, alkany, polimery i metale. Na podstawie tych badań powstaje wiele prac naukowych oraz artykułów w czasopismach branżowych. Zależy nam na szukaniu nowych rozwiązań i dlatego postanowiliśmy użyć w tym celu grafenu i tlenku grafenu. Udało się nam stworzyć hybrydową strukturę, która daje nowe możliwości pomiarów” – mówi dr inż. Karol Stasiewicz.
Zalety nowego czujnika
Czujniki światłowodowe wykorzystuje się do pomiaru parametrów chemicznych i fizycznych, takich jak współczynnik załamania światła, temperatura, ciśnienie, wibracje, obecność substancji chemicznych oraz gazów. Ze względu na obecny rozwój technologii wykonywania różnych struktur światłowodowych, zmianie ulega element bazowy czujników. Te budowane na bazie przewężonego włókna optycznego wykonywane są w technologii wyciągania w wysokiej temperaturze, uzyskiwanej przez palnik niskociśnieniowy. Powstałe przewężki wykorzystują fale wyciekającą, która może reagować z zewnętrznymi materiałami i otoczeniem.
„Dzięki opracowanej technologii i przeprowadzonym badaniom laboratoryjnym możemy zbudować czułe, dynamiczne i kompaktowe czujniki o różnych parametrach. Ich największą zaletą jest miniaturyzacja. Taki czujnik jest zrobiony na włóknie światłowodowym i nie musimy wyprowadzać wiązki poza włókno. Nie musimy również wyprowadzać dodatkowych urządzeń dla różnych długości. Dlatego badania przeprowadzamy w szerokim zakresie spektralnym, żeby zobaczyć, w której długości wiązka najlepiej oddziałuje. Ważnym aspektem są również niewielkie koszty produkcji i niewielkie zapotrzebowanie energetyczne. Ponadto czujnik może pracować w strefach niebezpiecznych, jest bezinwazyjny, a technologia jest sprawdzona” – tłumaczy naukowiec.
Czujnik, który powstanie na bazie przeprowadzonych badań ma duże szanse na komercjalizację. Dla naukowców nie jest to zakończony projekt. Zamierzają jeszcze przebadać inne niebezpieczne substancje, aby detektor wykrywał ich jak najwięcej.
„Nie wystarczy wymieszać dwóch rzeczy, aby stworzyć gotowy produkt. My koncentrujemy się na stworzeniu technologii, dlatego robimy serię badań i sprawdzamy, czy wyniki są powtarzalne. Przed wprowadzeniem produktu na rynek należy dokładnie określić jego cechy. To nie jest nasza rola. My aktualnie skupiamy się na budowie nowej komory, aby przebadać inne gazy” – mówi dr Stasiewicz.
Bezpieczeństwo
„Dobór gazów nie był przypadkowy. Zależało nam, aby zbadać substancje powszechnie używane w przemyśle, turystyce i gospodarstwach domowych. Analizie poddaliśmy gazy różniące się reaktywnością, łatwością tworzenia związków lub ich znaczeniem dla człowieka i środowiska oraz szkodliwością” – informuje naukowiec.
Tworzenie nowych rozwiązań czujników dla różnych gazów jest ważne dla bezpieczeństwa ludzi. Dzięki nim możemy monitorować i znajdować wycieki gazu, co pozwala na usprawnienie procesów przemysłowych. Mieszanina gazów propan-butan jest niebezpieczna ze względu na swoją łatwopalność. Tworzy z powietrzem mieszaniny palne i wybuchowe.
Wodór jest również wysoce łatwopalny, a jego wycieki stanowią zagrożenie pożarowe. Jest gazem bezwonnym, bezbarwnym i bez smaku, więc jego wycieki są trudne do wykrycia ludzkimi zmysłami. Azot może powodować zatrucia w różnych reakcjach chemicznych. Ponadto warto kontrolować stężenie gazów podczas różnych procesów technologicznych. Czynnik bezpieczeństwa człowieka jest w dzisiejszych czasach bardzo ważny, dlatego udoskonalanie czujników gazu jest tak istotne.
„Nasz artykuł ukazał się w specjalnym numerze „Electronics”, który w całości został poświęcony czujnikom światłowodowym. Zostaliśmy do niego zaproszeni i nie musieliśmy ponosić żadnych kosztów publikacyjnych. Dla mnie jest to dowód, że jeśli pisze się dobre artykuły na podstawie rzetelnych badań to wiele czasopism zaprasza do publikowania. Oczywiście prowadzi się wiele badań na podobne tematy. My jednak zaproponowaliśmy innowacyjną technologię tworzenia przewężek i wykorzystaliśmy grafen do obserwacji absorbcji gazów. Dlatego stworzyliśmy zupełnie nową jakość” – wyjaśnia dr inż. Karol Stasiewicz.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Electronics” pod tytułem: „In-Line Gas Sensor Based on the Optical Fiber Taper Technology with a Graphene Oxide Layer”. Oprócz dr. inż. Karola Stasiewicza w badaniach uczestniczyli: mgr inż. Iwona Jakubowska, mgr inż. Joanna Ewa Moś, mgr inż. Rafał Kosturek. Spoza WAT w badaniach brał udział dr inż. Krystian Kowiorski z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych Sieci Badawczej Łukasiewicz.
Artykuł otrzymał 100 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 3.252.
Marcin Wrzos