Результати роботи, яка була підтримана грантом Російського наукового фонду, опубліковані в журналі Sensors. Концентрація вуглекислого газу в повітрі становить близько 400 ч / млн (частин на мільйон), це 0,04 відсотка об'ємної концентрації. У районах, поряд з якими розташовані промислові підприємства, норма вмісту CO2 вище приблизно в 1,5 рази - 600 ч / млн. Концентрація більше 800 ч / млн вважається шкідливою для здоров'я людини.
Збільшення кількості вуглекислого газу в повітрі впливає не тільки на самопочуття, але і призводить до глобального потепління. Тому в світі зростає потреба в точних датчиках, які зможуть відстежувати концентрацію парникових газів. Сьогодні для цього використовують недісперсіонную інфрачервону спектроскопію. Датчик складається з інфрачервоного джерела, вимірювальної камери, фільтра довжини хвилі і інфрачервоного детектора.
Перед детектором встановлений оптичний фільтр, він поглинає весь світ, крім певної довжини хвилі, яка може бути захоплена молекулами вимірюваного газу. Коли газ потрапляє в камеру, його концентрація вимірюється завдяки поглинанню певної довжини хвилі в інфрачервоному спектрі.
Пропонований вченими датчик відрізняється від аналогів своїм невеликим розміром. На його оптичну підкладку нанесені шари хрому, золота і кремнію. З кремнію зроблені нанорозмірні циліндри, так звані метаатоми. Розташовані в деякому порядку, вони формують поверхню метаматериала з унікальними властивостями, яких немає в природі. Верхній, функціональний шар датчика складається з полімеру полігексаметілена бігуанідіна, який використовується, наприклад, як антисептик.
Механізм роботи полягає у вимірюванні довжини хвилі відбитого світла, який вловлюється за допомогою фотодетектора, а він використовується для перетворення фотонів в струм. Коли газ CO2 потрапляє в камеру, він поглинається шаром полігексаметілен бігуанідіна. Після цього показник заломлення шару зменшується, а світло відбивається під кутом 45 градусів. Зміна показника заломлення шару полігексаметілена, а також зрушення довжини хвилі відбитого світла щодо вихідного залежать від концентрації газу.
Перевага пропонованого датчика полягає в тому, що він не викликає небажаної зміни показника заломлення в шарі полімеру і не фіксує рівень вмісту інших газів в повітрі, наприклад азоту і водню. Крім того, можна налаштовувати електромагнітні характеристики матеріалу і отримувати певні оптичні властивості, наприклад, змінити рівень поглинання світла і таким чином виявити великі концентрації вуглекислого газу.
«Під час роботи ми провели чисельне дослідження і отримали залежність показника заломлення шару полігексаметілена бігуанідіна від концентрації газоподібного CO2. Точність роботи датчика ми підтвердили за допомогою десяти повторюваних циклів вимірювань. Ми кожен раз подавали 50 ч / млн вуглекислого газу на датчик, а також продували камеру азотом.
Аналіз показав, що датчик показує концентрацію вуглекислого газу з похибкою ± 20 ч / млн і не бере до уваги N2 », - розповів учасник дослідження Микола Казанський, професор кафедри технічної кібернетики Самарського університету. Пропонована конфігурація датчика може бути використана для виявлення інших токсичних газів з використанням відповідних функціональних матеріалів.
Джерело: Naked Science