قام علماء فى الجامعة الوطنية للأبحاث النووية، فى روسيا، بتصميم نموذج لجهاز قادر على كشف عنصر الهيدروجين دون مساعدة من أجهزة الاستشعار الحرارية.
وبحسب وكالة سبوتنيك، الروسية، اليوم الأربعاء، نشرت مجلة "رسائل الفيزياء التقنية" نتائج الدراسة التى أشارت إلى أن يتم تحويل الهيدروجين فى خليط مع الهواء إلى غاز متفجر — خليط متفجر. ولذلك، يطور العلماء مختلف أجهزة استشعار الهيدروجين التى يمكن أن تعمل فى ظروف العمل الصعبة (على سبيل المثال، ارتفاع درجة الحرارة أو الغاز المركز).
وتستخدم أجهزة الاستشعار الحرارية باعتبارها أجهزة تقليدية للكشف عن الهيدروجين فى غازات الهواء المخلوطة. وتعمل هذه الأجهزة من خلال حقيقة أنه يمكن لمزيج الهواء والهيدروجين على سطح البلاتين أن يؤدى إلى تفاعل اشتعال الهيدروجين، الذى يرفع درجة حرارة هذا السطح.
ويقوم جهاز الاستشعار بتسجيل درجة الحرارة المرتفعة، من خلال الكشف عن وجود الهيدروجين وكميته فى الهواء. ولكن الحجم الكبير لهذه العناصر الحرارية يخلق المشاكل، عندما يتم دمج الحساسات فى أجهزة استشعار متعددة الوظائف المصنعة على شريحة واحدة. لذلك، فإنه من الأهمية بمكان بالنسبة للأبحاث هو استخدام الاحتياطيات "الداخلية" من أشكال الأغشية الرقيقة التى تم إنشاؤها على ركائز بلورات أحادية من كربيد السيليكون. أى أنه يمكن بهذا الشكل التخلى عن مصادر الطاقة الخارجية، وذلك باستخدام رد فعل التغييرات فقط فى خصائص المواد التى يمكن قياسها.
وبحسب الدراسة قرر علماء الجامعة الوطنية للأبحاث النووية دراسة كيفية تغيير خصائص هيكل MOSiC (أكسيد معدنى كربيد السيليكون) اعتمادا على كمية الهيدروجين فى الهواء المحيط. ولهذا الغرض قام الباحثون بوضع شريحتين على لوحة كربيد السيليكون (حجم 15 × 15 مم، سماكة 400 ميكرون): "الشريحة العملية"، الحساسة لشريحة أكسيد التنغستن الهيدروجينية (سماكة 200 نانومتر) وشريحة البلاتين (10 نانومتر)، والتى ينبغى ان تسرع التفاعل الكيميائي. وعلى الجانب الخلفى من هذه اللوحة، تم إجراء اتصال كهربائى لقياس التيار.
وتم تثبيت عينة الاختبار على سخان خاص يضمن الاستقرار فى درجة الحرارة. عملية زيادة درجة حرارة العينة تحاكى ظروف تشغيل أجهزة الاستشعار فى النظم الحقيقية. فى حين أن استقرار درجة الحرارة يضمن التقاسم الصارم للآثار فى أجهزة الاستشعار، وذلك بسبب تغيرها وتأثير الهيدروجين. وبين السخان والعينة هناك لوحة من الياقوت مع طبقة من الذهب لعزل الاتصال الخلفى من التأثيرات الكهرومغناطيسية الخارجية. نقوم بوضع السخان مع عينة الاختبار فى مكان من الفولاذ المقاوم للصدأ حيث يمكن إنشاء خليط الهواء والهيدروجين مع تركيز مسيطر عليه من العنصر الأخير.
ومن أجل تسجيل الهيدروجين قام العلماء بقياس الإشارة الكهربائية المولدة بين جانبى العينة: الجانب الأول الحساس بالنسبة للغاز (أكسيد التنغستن) والجانب الثانى الخلفي. وبالتالى فإن ضخ الهيدروجين إلى وسط الهواء بتركيز يصل حتى 2٪ أدى إلى زيادة الإشارة بنسبة 15 ضعفاً — وهو أعلى بكثير من استجابة النظام نفسه، المسجل بطريقة تقليدية. ويكمن هذا الأخير فى قياس التيار المتدفق من خلال الهيكل عند تغيير الجهد الخارجى المطبق. فى الطريقة الجديدة، يتم قياس التيار المتدفق من خلال لوحة من الجانب "الأمامي" إلى "الخلفي" دون تطبيق الجهد الخارجي. فى الوقت نفسه فإن الهيكل المشكل MOSiC كان يعمل من دون وضع طبقة محفزة من مادة البلاتين الثمينة، فى حين تبين أن قوة إشارة الاستجابة من الهيدروجين كانت تكفى لوضعها موضع التنفيذ دون مصادر طاقة إضافية.
وقال البروفسور فياتشيسلاف فومينسك، أحد مؤلفى الدراسة وكبير الباحثين فى معهد LaPlaz فى الجامعة الوطنية للأبحاث النووية "إن سرعة وحجم الاستجابة على الهيدروجين تشير إلى الإمكانية الفعلية لاستخدام التأثير الذى تم الكشف عنه فى أجهزة استشعار الهيدروجين ذات درجات الحرارة المرتفعة على كربيد السيليكون. إن الخصائص الهيكلية والكيميائية والكهرفيزيائية للشرائح التى تم الحصول عليها تتعرض لتغيرات ملحوظة عن طريق الاتصال مع جزيئات الهيدروجين، وخاصة فى ظل درجات الحرارة المرتفعة (500 درجة مئوية). التغييرات متعددة العوامل فى شريحة أكسيد الحديد تحت تأثير الهيدروجين تتجلى فى توليد النبضة الكهربائية المسجلة بين السطح الخلفى وسطح رقاقة كربيد السيليكون أنصاف الموصلات".
وتعد عملية تسجيل الهيدروجين والغازات المتفجرة الأخرى فى ظروف معقدة من درجات الحرارة وتركيزات عالية، مشكلة ملحة للعلوم والعديد من الصناعات. وبحسب رأى الباحثين، فإن التصميم الجديد سيسمح بإنتاج أجهزة كشف فعالة ليس فقط للهيدروجين، ولكن أيضا للغازات المتفجرة الأخرى.