Físicos rusos idean un nuevo método para detectar gases explosivos

El hidrógeno mezclado con el aire se transforma en un gas detonante que es una mezcla explosiva. Por eso los científicos diseñan diferentes sensores para detectar hidrógeno en condiciones adversas —como las altas temperaturas o la concentración de gases—.

Los investigadores de la Universidad Nacional de Investigaciones Nucleares (MEPhI) diseñaron el prototipo del dispositivo capaz de detectar hidrógeno sin los sensores termoquímicos. El artículo sobre el estudio financiado con la participación del Ministerio ruso de Educación y Ciencias fue publicado en la revista Technical Physics Letters.

En los dispositivos tradicionales para detectar hidrógeno se usan los sensores termoquímicos. Pueden funcionar gracias a que en su superficie de platino, cuando se mezclan el aire y el hidrógeno, es posible la inflamación del hidrógeno —una reacción que calienta la superficie en cuestión—. Un sensor registra el calentamiento y detecta la presencia de hidrógeno y su cantidad en el aire.

Sin embargo, las grandes dimensiones de semejantes termoelementos generan problemas a la hora de colocar los sensores en los captadores multifuncionales fabricados en un chip. Por lo tanto, es sumamente interesante conocer el uso de las posibilidades internas de las estructuras de capa fina que se crean en las obleas de carburo de silicio monocristalino. Es decir, buscar vías para evitar las fuentes externas de alimentación usando como respuesta solo la modificación de las propiedades del material que pueden ser medidas.

Los científicos de la MEPhI decidieron estudiar cómo se modifican las estructuras MOSiC (metal-óxido-carburo de silicio) dependiendo del contenido de oxígeno en el ambiente. Para ello, los investigadores cubrieron una placa de carburo de silicio —de 15x15 milímetros y de 400 micrómetros de grosor— con dos películas: la película de óxido de wolframio, básica y sensible al hidrógeno —de 200 nanómetros de grosor—, y la de platino —de 10 nanómetros—, destinada a acelerar la reacción química. En el revés de la placa se instaló un contacto para desviar la corriente.

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La muestra se colocó en un calentador especial que garantizaba la estabilidad de la temperatura. El calentamiento de la muestra imitaba las condiciones de trabajo del sensor en entornos reales mientras que la estabilización de la temperatura aseguraba una estricta separación de los efectos en el sensor. Entre el calentador y la muestra se colocaba una placa de zafiro cubierta por una capa de oro para aislar el posible contacto de efectos electromagnéticos externos. El calentador con la muestra fue introducido en una cámara voluminosa de acero inoxidable donde se podía crear una mezcla de hidrógeno con el aire controlando la concentración de hidrógeno.

Para registrar el hidrógeno se medía la señal eléctrica entre los dos lados de la muestra: el sensible al gas —de óxido de wolframio— y el del reverso. La introducción de hidrógeno en el ambiente hasta conseguir una concentración del 2% generaba un incremento de 15 veces el de la señal. Este es notablemente superior a la respuesta del mismo sistema registrada por el método tradicional.

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Este método consiste en medir la corriente que traspasa la estructura al modificarse la tensión externa aplicada. No obstante, el nuevo sistema mide la corriente que atraviesa la placa desde el anverso hacia el reverso sin aplicar tensión externa. Al mismo tiempo, la estructura MOSiC diseñada funcionaba sin la capa catalítica de platino, que tiene un coste muy alto, dado que la intensidad de la señal de respuesta al hidrógeno resultó suficiente para utilizarla en la práctica sin fuentes de alimentación complementarias.

"La velocidad y la intensidad de la respuesta al hidrógeno demuestran una posibilidad real de usar el efecto detectado en los sensores de hidrógeno de altas temperaturas a base de carburo de silicio. Las propiedades estructurales, químicas y electrofísicas de las películas obtenidas sufren cambios notables al contactar con las moléculas de hidrógeno, especialmente a las temperaturas altas (hasta 500° С). Las modificaciones multifactoriales en la película de óxido de metal bajo la influencia de hidrógeno se manifiestan en la generación del impulso eléctrico registrado entre las superficies sensible al gas y el reverso de la placa semiconductora de carburo de silicio", explica uno de los autores, el investigador en jefe del Instituto de Tecnologías de Láser y Plasma de la MEPhI, catedrático Viacheslav Fominski.

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La detección del hidrógeno y otros gases detonantes en condiciones complicadas, como en altas temperaturas o con concentración de gases, es un problema candente tanto para la ciencia como para muchos sectores industriales. Según los investigadores, el nuevo desarrollo permitirá fabricar eficaces detectores no solo de hidrógeno sino también de otros gases detonantes.