De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in Nature Communications. De wetenschappers zijn erin geslaagd de eerste optische waterstofsensor te ontwikkelen die waterstofgas in deeltjes per miljard (ppb) concentraties kan detecteren.
De eerste auteur van het artikel, VU-natuurkundige Ferry Nugroho, zegt hierover: “Dit is belangrijk omdat waterstofsensoren in vele toepassingen worden gebruikt, zoals in de chemische industrie, diagnostiek, levensmiddelen, en in toenemende mate op het gebied van veiligheid door de opkomst van waterstofvoertuigen. Voor deze laatste toepassing is veiligheid een belangrijk punt, aangezien waterstof in een bepaalde concentratie brandbaar is. Tot op heden werden hiervoor vooral elektrische sensoren gebruikt, omdat die gevoelig zijn en een bereik hebben tot ppb concentraties. Ze worden echter als riskant beschouwd omdat er stroom bij komt kijken en er vonken kunnen ontstaan. Optische sensoren daarentegen zijn inherent veilig, omdat ze geen elektrische onderdelen op het meetgebied nodig hebben. Bovendien hebben optische waterstofsensoren zich snel ontwikkeld en presteren nu qua snelheid en miniaturisering even goed – zo niet beter – dan elektrische sensoren, met één uitzondering, namelijk als het gaat om gevoeligheid.”
Nanodeeltjes
Tot nu toe was er geen enkele optische waterstofsensor met een detectielimiet binnen het ppb-gebied. Deze situatie is meestal te wijten aan het gebruikte actieve materiaal, voornamelijk palladium (Pd) of palladium-legeringen. Bij gebruik als plasmonische waterstofsensor produceert palladium brede optische spectra, wat vervolgens leidt tot een signaal met veel ruis, en dus een beperkte resolutie om lage concentraties te detecteren.
In dit nieuwe artikel pakken de onderzoekers dit fundamentele probleem aan door een proefmonster te creëren dat bestaat uit een spectrum van Pd-nanodeeltjes die de zogenaamde Surface Lattice Resonance (oppervlakte-roosterresonantie) ondersteunen, wat leidt tot (veel) smallere optische spectra en daardoor zeer hoge gevoeligheid.
Algoritme
Om het spectrum met de hoogste gevoeligheid te vinden, gebruikten de onderzoekers een kunstmatige intelligentie-aanpak die deeltjeszwermoptimalisatie wordt genoemd. Dit algoritme maakt het mogelijk om de structuur van het nanodeeltjes-spectrum zo te optimaliseren dat de sterkste optische respons wordt verkregen onder blootstelling aan waterstof. Dit resulteerde in de ontwikkeling van de eerste optische sensor die in ppb (250 ppb) kan detecteren, wat minstens acht keer gevoeliger is dan de beste sensor op de markt.
De ontwikkelde methode is generiek, zodat deze kan worden gecombineerd met andere optimalisatiemethoden om andere prestatieaspecten van de sensoren te verbeteren, zoals detectiesnelheid (met andere materialen en legeringen) en selectiviteit (met een optimale polymeerlaag als coating).
Afbeelding: Ananta Rizki Fareza