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Fuente Chalmers: El hidrógeno es un portador de energía limpia y renovable que puede impulsar vehículos, con el agua como la única emisión. Desafortunadamente, el gas hidrógeno es altamente inflamable cuando se mezcla con el aire, por lo que se necesitan sensores muy eficientes y efectivos. Ahora, investigadores de la Universidad de Tecnología de Chalmers, Suecia, presentan los primeros sensores de hidrógeno que cumplen con los futuros objetivos de rendimiento para uso en vehículos impulsados por hidrógeno.
Los resultados innovadores de los investigadores se publicaron recientemente en la prestigiosa revista científica Nature Materials. El descubrimiento es un nanosensor óptico encapsulado en un material plástico. El sensor funciona basándose en un fenómeno óptico, un plasmón, que se produce cuando las nanopartículas de metal se iluminan y capturan la luz visible. El sensor simplemente cambia de color cuando cambia la cantidad de hidrógeno en el ambiente.
El plástico que rodea el pequeño sensor no es solo para protección, sino que funciona como un componente clave. Aumenta el tiempo de respuesta del sensor al acelerar la absorción de las moléculas de gas de hidrógeno en las partículas metálicas donde se pueden detectar. Al mismo tiempo, el plástico actúa como una barrera efectiva para el medio ambiente, evitando que otras moléculas entren y desactiven el sensor. Por lo tanto, el sensor puede funcionar de manera altamente eficiente y sin interrupciones, lo que le permite cumplir con las rigurosas demandas de la industria automotriz: ser capaz de detectar 0,1 por ciento de hidrógeno en el aire en menos de un segundo.
“No solo hemos desarrollado el sensor de hidrógeno más rápido del mundo, sino también un sensor que es estable a lo largo del tiempo y no se desactiva. A diferencia de los sensores de hidrógeno de hoy, nuestra solución no necesita ser recalibrada tan a menudo, ya que está protegida por el plástico “, dice Ferry Nugroho, investigador del Departamento de Física de Chalmers.
Fue durante su época como estudiante de doctorado que Ferry Nugroho y su supervisor Christoph Langhammer se dieron cuenta de que estaban en algo grande. Después de leer un artículo científico que afirmaba que nadie había logrado alcanzar los estrictos requisitos de tiempo de respuesta impuestos a los sensores de hidrógeno para futuros autos de hidrógeno, probaron su propio sensor. Se dieron cuenta de que estaban a solo un segundo del objetivo, sin siquiera intentar optimizarlo. El plástico, originalmente pensado principalmente como una barrera, hizo el trabajo mejor de lo que podría haber imaginado, al hacer que el sensor también sea más rápido. El descubrimiento condujo a un intenso período de trabajo experimental y teórico.
“En esa situación, no hubo quien nos detuviera. Queríamos encontrar la mejor combinación de nanopartículas y plástico, comprender cómo funcionaban juntos y qué lo hizo tan rápido. Nuestro trabajo duro dio resultados. En solo unos pocos meses, logramos el tiempo de respuesta requerido, así como la comprensión teórica básica de lo que lo facilita ”, dice Ferry Nugroho.
Detectar hidrógeno es un reto de muchas maneras. El gas es invisible e inodoro, pero volátil y extremadamente inflamable. Requiere solo un cuatro por ciento de hidrógeno en el aire para producir gas oxihidrógeno, a veces conocido como gasa de gas, que se enciende con la chispa más pequeña. Para que los autos de hidrógeno y la infraestructura asociada del futuro sean lo suficientemente seguros, debe ser posible detectar cantidades extremadamente pequeñas de hidrógeno en el aire. Los sensores deben ser lo suficientemente rápidos para que las fugas puedan detectarse rápidamente antes de que ocurra un incendio.
“Me siento muy bien al presentar un sensor que, con suerte, puede ser parte de un gran avance para los vehículos impulsados por hidrógeno. El interés que vemos en la industria de las celdas de combustible es inspirador “, dice Christoph Langhammer, profesor del Departamento de Física de Chalmers.
Aunque el objetivo principal es utilizar hidrógeno como portador de energía, el sensor también presenta otras posibilidades. Se necesitan sensores de hidrógeno altamente eficientes en la industria de la red eléctrica, la industria química y de la energía nuclear, y también pueden ayudar a mejorar los diagnósticos médicos.
“La cantidad de gas hidrógeno en nuestra respiración puede proporcionar respuestas a, por ejemplo, las inflamaciones y las intolerancias alimentarias. Esperamos que nuestros resultados puedan ser utilizados en un frente amplio. Esto es mucho más que una publicación científica “, dice Christoph Langhammer.
A largo plazo, la esperanza es que el sensor pueda fabricarse en serie de una manera eficiente, por ejemplo, utilizando la tecnología de impresora 3D.
Hechos: el sensor de hidrógeno más rápido del mundo
• El sensor desarrollado por Chalmers se basa en un fenómeno óptico, un plasmón, que se produce cuando las nanopartículas metálicas se iluminan y capturan la luz de una determinada longitud de onda.
• El nanosensor óptico contiene millones de nanopartículas metálicas de una aleación de paladio-oro, un material conocido por su capacidad esponjosa para absorber grandes cantidades de hidrógeno. El efecto plasmón entonces causa el cambio de color cuando cambie la cantidad de hidrógeno en el ambiente.
• El plástico alrededor del sensor no solo es una protección, sino que también aumenta el tiempo de respuesta del sensor al facilitar que las moléculas de hidrógeno penetren las partículas metálicas más rápidamente y, por lo tanto, se detecten más rápidamente. Al mismo tiempo, el plástico actúa como una barrera efectiva para el medio ambiente porque ninguna otra molécula, aparte del hidrógeno, puede alcanzar las nanopartículas, lo que impide la desactivación.
• La eficiencia del sensor significa que puede cumplir los estrictos objetivos de rendimiento establecidos por la industria automotriz para su aplicación en vehículos de hidrógeno del futuro al ser capaz de detectar 0.1 por ciento de hidrógeno en el aire en menos de un segundo.
• La investigación fue financiada por la Fundación Sueca para la Investigación Estratégica, en el marco del proyecto Plastic Plasmonics.
Sobre el artículo científico:
El artículo “Metal – Polímero Nanomateriales híbridos para la detección ultrarrápida plasmónica” ha sido publicado en Nature Materials y está escrito por los investigadores de Chalmers Ferry Nugroho, Iwan Darmadi, Lucy Cusinato, Anders Hellman, Vladimir P. Zhdanov y Christoph Langhammer. Los resultados se han desarrollado en colaboración con la Universidad Técnica de Delft en los Países Bajos, la Universidad Técnica de Dinamarca y la Universidad de Varsovia, Polonia.
Para más información:
Ferry Nugroho, Investigador, Departamento de Física, Universidad de Tecnología de Chalmers, +46 31 772 54 21, ferryn@chalmers.se
Christoph Langhammer, profesor, Departamento de Física, Universidad de Tecnología de Chalmers, +46 31 772 33 31, clangham@chalmers.se
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