Сегодня - 02.07.2020

«Посоли» опалы — измерь влажность!

05 ноября 2013

Сибирские ученые из Института автоматики и электрометрии СО РАН придумали датчик влажности, который: а) химически стоек, б) не подвержен электрическим и магнитным шумам, а также запыленности. Да, оказывается, опал можно использовать не только как переливающееся всеми цветами радуги сырье для украшений.

На первый взгляд, все не то чтобы просто, а очень просто: возьми фотонный кристалл, нанеси на него нужное химическое соединение, и при повышении влажности больше, чем граница растворяемости, например, у NaCl, датчик станет прозрачным. Природный фотонный кристалл  это опал. Что-то подобное мы помним из многочисленных приключенческих романов, где камень в перстне реагировал на наличие яда в кубке.

Однако для того, чтобы понять, как именно происходит реакция, нужно заглянуть внутрь элемента. Есть же в нем нечто, обуславливающее, во-первых, использование именно этого минерала, причем, разумеется, не в привычной нам всем форме, а во-вторых — изменение цвета.

Пойдем по порядку — и начнем, как водится, издалека.

«Фактически используемый нами фотонный кристалл представляет собой шарики кварца размером примерно 200 нанометров диаметром улаженные в гранецентрированную решетку, — объясняет научный сотрудник ИАиЭ СО РАН Павел Александрович Чубаков. — Мы разработали технологию нанесения этих шариков, плотно упакованных, в виде пленок, уложенных как фотонный кристалл Если последние сравнимы с длиной электромагнитной волны, то эти волны ведут себя особым образом). В результате получилась регулярная структура, которая может работать как дифракционная».

Разумеется, опал взяли за основу не просто так. «Дело в том, что с оптической точки зрения этот минерал весьма интересен, — комментирует аспирант ИАиЭ СО РАН Вячеслав Павлович Чубаков, — если рассматривать его как фотонный кристалл, то он трехмерный и высокосимметричный. Кроме того, состоит из множества «перепутанных» решеток, и для характерной длины волны имеется большой коэффициент отражения». Также ученые заметили и такую вещь: поскольку фотонный кристалл представляет собой частички SiO2, обработанные таким образом, что являются гидрофильными, способными интенсивно взаимодействовать с водой, то их свойства немного меняются от ее наличия.

«Фотонный кристалл состоит, как я уже говорил, из набора шариков, а между ними — пустота, — рассказывает Павел Чубаков. — Однако если добавить жидкость с тем же показателем преломления, что и сами шарики, то фотонный кристалл становится прозрачным».

Известно, что над поверхностью солей, например, NaCl, всегда постоянная влажность. При ее повышении вещество становится раствором, причем, эта граница достаточно резкая. Другим соединениям тоже соответствуют свои точки перехода. «Отсюда появилась идея: фотонный кристалл хорошего оптического качества пропитать растворами солей и получить датчик. Если использовать три разных, то фотонный кристалл становятся прозрачными, соответственно, при нескольких уровнях влажности», — говорит Павел Чубаков. Для того, чтобы предотвратить смешивание различных веществ при конденсации влаги, нужно наносить на пленку опала лишь одно — либо поделить «основу» на отдельные, разнесенные в физическом смысле, сегменты.

Ученые отмечают, что деградации датчика не вызвали десятки циклов «намочить — высушить». «Для проверки стабильности мы помещали фотонные кристаллы в большой объем стоячей дистиллированной воды на два месяца, а затем смотрели, как они поведут себя, когда станут сухими. Даже после этого пленка была все еще чувствительна к относительной влажности воздуха. Это связано с тем, что опал имеет высокопористую структуру», — объясняет Павел Чубаков.

В конечном итоге можно увидеть: датчики, придуманные учеными, характеризуются высокой стабильностью и точностью. Кроме того, как говорят создатели, их не нужно калибровать, что очень важно для коммерческих приложений. Кроме того, не меньшим плюсом являются и энергонезависимость, а также «наглядность» перехода в прозрачное состояние. Кстати, кроме опалов, в качестве основы могут быть использованы и другие разновидности фотонных кристаллов, главное, что бы они имели пористую структуру. Подбор же разных солей позволит создавать датчики влажности, специализированные для конкретных приложений.

Екатерина Пустолякова

Фото предоставлено В.Чубаковым

Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (1 vote)
Поделись с друзьями: 

Система Orphus