Ученые предложили конфигурацию датчика на основе метаматериалов, 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. Он может быть полезен при отслеживании концентрации углекислого газа в атмосфере, повышенная концентрация которого вредна для здоровья, а также приводит к глобальному потеплению.

Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Sensors.

Концентрация углекислого газа в воздухе составляет около 400 ч/млн (частей на миллион), это 0,04% объемной концентрации. 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 влияет не только 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 Николай Казанский, профессор кафедры технической кибернетики Самарского университета.

Предлагаемая конфигурация датчика может быть использована для обнаружения других токсичных газов с использованием подходящих функциональных материалов.

Автор: Алексей Паевский