Esquema de detecção de hidrogênio usando nanopartículas de paládio. Sem hidrogênio presente, as nanopartículas de paládio metálico (pontos laranja) atuam como ilhas isoladas, e a corrente elétrica não pode fluir facilmente pelo dispositivo. Em contraste, quando o dispositivo é exposto até mesmo a uma pequena quantidade de hidrogênio, os átomos de hidrogênio podem preencher as lacunas entre as ilhas, criando uma rede conectada que permite a passagem de uma grande corrente (linhas vermelhas). Crédito:Universidade de Osaka
Uma equipe da Universidade de Osaka inventou um novo processo para a criação de dispositivos de detecção de alta precisão que respondem à presença de gás hidrogênio. Controlando cuidadosamente a deposição de nanopartículas metálicas em uma superfície de silício, os pesquisadores conseguiram criar um sensor que pode detectar baixos níveis de hidrogênio com base nas mudanças na corrente elétrica. Esta pesquisa pode ter benefícios importantes como parte de uma mudança para combustíveis à base de hidrogênio, que poderia fornecer energia aos carros com emissão zero do futuro e ajudar a combater as mudanças climáticas antropogênicas.
Para fabricar um sensor de hidrogênio, os pesquisadores depositaram paládio metálico em um substrato de silício. O paládio depositado forma nanopartículas no substrato, e eles agem como pequenas ilhas que são excelentes condutores de eletricidade, mas porque não formam uma rede conectada, a corrente no dispositivo é muito pequena.
Contudo, quando átomos de hidrogênio estão presentes, eles são absorvidos pelas nanopartículas de paládio, aumentando o volume das nanopartículas, e, em seguida, preencher as lacunas entre as ilhas. Eventualmente, um caminho completamente conectado é formado, e os elétrons podem fluir com muito menos resistência. Desta maneira, mesmo uma pequena mudança na concentração de hidrogênio pode levar a um grande aumento na corrente, portanto, os dispositivos podem ser muito sensíveis.
Um desafio significativo que os pesquisadores de Osaka tiveram que superar foi controlar precisamente as lacunas entre as ilhas a serem depositadas em primeiro lugar. Se o tempo de deposição foi muito curto, as lacunas entre as nanopartículas são muito grandes e não seriam preenchidas mesmo quando o hidrogênio estivesse presente. Por outro lado, se o tempo de deposição foi muito longo, as nanopartículas formariam uma rede conectada por conta própria, mesmo antes de o hidrogênio ser aplicado. Para otimizar a resposta do sensor, a equipe de pesquisa desenvolveu um novo método para monitorar e controlar a deposição de paládio, denominado ressonância piezoelétrica.
Ilustração de como a ressonância piezoelétrica pode ser usada para avaliar a separação entre as partículas de paládio durante a fabricação do dispositivo. À medida que nanopartículas de paládio (amarelas) estão sendo adicionadas à amostra, o material piezoelétrico vibratório (paralelepípedo retangular verde) gera um campo elétrico alternado (setas azuis) perto da superfície do substrato (cinza), criando um fluxo de corrente no paládio depositado (partículas laranja). Isso faz com que parte da energia vibracional do material piezoelétrico seja perdida. O valor da perda de energia é maior quando as partículas de paládio entram em contato umas com as outras, portanto, a deposição pode ser interrompida na concentração ideal de nanopartículas. Crédito:Universidade de Osaka
"Materiais piezoelétricos, como um cristal de quartzo em um relógio de pulso, pode vibrar em uma frequência muito específica em resposta a uma voltagem aplicada, "o autor sênior, Dr. Hirotsugu Ogi, explica. Aqui, um pedaço de niobato de lítio piezoelétrico foi colocado para vibrar sob a amostra durante a deposição de nanopartículas metálicas. O piezoelétrico oscilante criou um campo elétrico em torno da amostra, que por sua vez induziu uma corrente no dispositivo que dependia da conectividade da rede de paládio.
Então, a atenuação das oscilações muda dependendo da conectividade. Portanto, ouvindo o som (medindo a atenuação) do material piezoelétrico, a conectividade pode ser monitorada.
"Ao otimizar o tempo de deposição usando o método de ressonância piezoelétrica, os sensores de hidrogênio resultantes eram 12 vezes mais sensíveis do que antes, "O primeiro autor, Dr. Nobutomo Nakamura, diz." Esses dispositivos podem representar um passo em direção a um futuro de energia mais limpa envolvendo hidrogênio. "
O trabalho é publicado em Cartas de Física Aplicada como "Controle preciso da resposta do hidrogênio do filme de paládio semicontínuo usando o método de ressonância piezoelétrica.".
