Un nouveau capteur d’hydrogène inspiré des papillons est alimenté par la lumière

Inspirés par la surface des ailes des papillons, les chercheurs ont mis au point un capteur d’hydrogène activé par la lumière qui produit des résultats ultra-précis à température ambiante.

Cette technologie permet de détecter les fuites d’hydrogène bien avant qu’elles ne posent des risques pour la sécurité et de mesurer de minuscules quantités de gaz dans l’haleine des gens, pour diagnostiquer des troubles intestinaux.

Les capteurs d’hydrogène commerciaux ne fonctionnent qu’à des températures de 150°C ou plus, mais le prototype développé par les chercheurs de l’université RMIT de Melbourne, en Australie, est alimenté par la lumière plutôt que par la chaleur.

Le capteur, basé sur des microstructures bosselées qui imitent la surface des ailes de papillons, est détaillé dans une nouvelle étude publiée dans la revue ACS Sensors.

Le Dr Ylias Sabri, co-chercheur principal, a déclaré que le prototype était évolutif, rentable et offrait un ensemble de caractéristiques qu’aucun capteur à hydrogène actuellement sur le marché ne pourrait égaler.

« Certains capteurs peuvent mesurer de minuscules quantités, d’autres peuvent détecter de plus grandes concentrations ; ils ont tous besoin de beaucoup de chaleur pour fonctionner« , a déclaré M. Sabri. « Notre capteur d’hydrogène peut tout faire – il est sensible, sélectif, fonctionne à température ambiante et peut détecter à travers une gamme complète de niveaux« .

Le capteur peut détecter l’hydrogène à des concentrations allant de seulement 10 parties par million de molécules (pour les diagnostics médicaux) à 40 000 parties par million (le niveau où le gaz devient potentiellement explosif).

Le Dr Ahmad Kandjani, co-chercheur principal, a déclaré que la large gamme de détection le rendait idéal pour un usage médical et pour renforcer la sécurité dans l’économie émergente de l’hydrogène.

« L’hydrogène a le potentiel d’être le carburant de l’avenir, mais nous savons que les craintes en matière de sécurité pourraient affecter la confiance du public dans cette source d’énergie renouvelable« , a-t-il déclaré.

« En fournissant une technologie de détection précise et fiable qui peut détecter les plus petites fuites, bien avant qu’elles ne deviennent dangereuses, nous espérons contribuer à faire progresser une économie de l’hydrogène qui peut transformer l’approvisionnement en énergie dans le monde entier« .

Bosses de papillon : Comment fonctionne le capteur

Le cœur innovant du nouveau capteur est constitué de minuscules sphères appelées cristaux photoniques ou colloïdaux.

Ces formes creuses, semblables aux minuscules bosses que l’on trouve à la surface des ailes des papillons, sont des structures très ordonnées qui absorbent la lumière de manière ultra-efficace.

Cette efficacité signifie que le nouveau capteur peut tirer toute l’énergie dont il a besoin pour fonctionner d’un faisceau de lumière, plutôt que de la chaleur.

Ebtsam Alenezy, chercheur en doctorat et premier auteur, a déclaré que le capteur à température ambiante était plus sûr et moins cher à faire fonctionner, comparé aux capteurs à hydrogène commerciaux qui fonctionnent généralement entre 150 et 400 °C.

« Les cristaux photoniques permettent à notre capteur d’être activé par la lumière et ils fournissent également la cohérence structurelle qui est essentielle pour une détection de gaz fiable« , a-t-elle déclaré.

« Il est vital d’avoir une structure cohérente, une qualité de fabrication constante et des résultats cohérents – et c’est ce que la nature nous a offert grâce à ces formes bio-inspirées.

« Le processus de fabrication bien développé des cristaux photoniques signifie également que notre technologie est facilement extensible à des niveaux industriels, car des centaines de capteurs pourraient être rapidement produits en même temps« .

Pour fabriquer le capteur, une puce électronique est d’abord recouverte d’une fine couche de cristaux photoniques, puis d’un composite titane-palladium.

Lorsque l’hydrogène interagit avec la puce, le gaz est transformé en eau. Ce processus crée un courant électronique et, en mesurant l’intensité du courant, le capteur peut dire précisément quelle quantité d’hydrogène est présente.

Contrairement à de nombreux capteurs commerciaux qui luttent en présence d’oxyde d’azote, la nouvelle technologie est très sélective, ce qui lui permet d’isoler avec précision l’hydrogène des autres gaz.

Applications médicales

Avec des niveaux élevés d’hydrogène dont on sait qu’ils sont liés à des troubles gastro-intestinaux, cette technologie a un fort potentiel d’utilisation dans le diagnostic et le suivi médical. Actuellement, l’approche diagnostique standard consiste à prélever des échantillons d’haleine, qui sont envoyés aux laboratoires pour y être traités.

Selon M. Sabri, la nouvelle puce pourrait être intégrée dans un appareil portable pour fournir des résultats instantanés.

« Avec les conditions intestinales, la différence entre les niveaux sains d’hydrogène et les niveaux malsains est minuscule – seulement 10 parties par million – mais notre capteur peut mesurer avec précision de telles différences infimes« , a-t-il déclaré.

Une demande de brevet provisoire a été déposée pour cette technologie et l’équipe de recherche espère collaborer avec des fabricants de capteurs d’hydrogène, de piles à combustible, de batteries ou des sociétés de diagnostic médical pour commercialiser le capteur.

‘Low temperature hydrogen sensor: Enhanced performance enabled through photoactive Pd-decorated TiO2 colloidal crystals’, with corresponding author Bhargava and co-authors Dr Samuel Ippolito, Dilek Korcoban and Syed Rashid, is published in ACS Sensors (DOI: 10.1021/acssensors.0c01387).

http://dx.doi.org/10.1021/acssensors.0c01387