Российские учёные разработали новый метод обнаружения опасных газов

Группа учёных из подведомственных Минобрнауки России Северо-Осетинского государственного университета имени К. Л. Хетагурова и Университета информационных технологий, механики и оптики разработала технологию, которая за несколько минут поможет определить утечку хлористого водорода. Проект реализован при поддержке Российского Научного Фонда, а также в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030», являющейся одной из мер государственной поддержки вузов нацпроекта «Наука и университеты».  Разработчики отметили, что подобные методы и подходы реализуются лишь в ведущих научно-исследовательских лабораториях мира.

«В основе разработанной нашим коллективом технологии лежит реакция анионного обмена между твёрдой фазой галогенидного перовскита и газом галогенида водорода, – рассказал «Газете о России» один из разработчиков, сотрудник лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО Анатолий Пушкарёв. – Простыми словами, соль (перовскит) реагирует с кислотой в форме газа, что приводит к образованию новой соли и новой кислоты. При этом, в кристаллической структуре перовскита галогенид-ионы (например, Br-) замещаются другими галогенид-ионами (например, Cl-) постепенно во времени. В процессе таких структурных изменений происходит перестройка оптических свойств перовскита. Увеличивается или уменьшается ширина запрещенной зоны материала, в следствие чего спектр его люминесценции сдвигается в синюю или красную область, соответственно. В связи с этим, на мой взгляд, идея оптического детектирования концентрации газа HCl перовскитом CsPbBr3 всегда находилась как бы на поверхности, но оставались не разрешёнными многие проблемы, препятствующие возникновению новой надёжной технологии. Наш коллектив смог их преодолеть».

Новая технология поможет всего за несколько минут определять в воздухе малое количество галогеноводородов, образующих бесцевтные и токсияные для человека газы. Такие соединения часто используются на заводах, человек не всегда самостоятельно может обнаружить эти вещества в воздухе при их утечке. Новая технология поможет контролировать процессы с помощью специальных сенсоров утечки газа. «Устройством является чувствительный к малым концентрациям газа элемент, состоящий из перовскитного нанолазера на стеклянной подложке с тонким слоем островкового оксида алюминия. Нанолазер касается вершин наноразмерных островков лишь в нескольких точках, и это позволяет молекулам газа реагировать со всей его поверхностью», – пояснил Анатолий.

При разработке технологии разработчики не спешили. Сначала, нужно было разобраться, при каких условиях и каким образом протекает реакция анионного обмена, какие материалы образуются, какими оптическими свойствами они обладают. Результаты этих исследований они публиковали в ряде оригинальных работ. Также проводились исследования по разработке технологии растворного синтеза нитевидных нанокристаллов CsPbBr3, генерирующих лазерное излучение. Так был найден способ улучшения их лазерных характеристик, заключающийся в интегрировании их с подложкой с развитой поверхностной морфологией. Учёные поняли достаточно быстро, что взаимодействие слабо концентрированного газа HCl с нанолазером CsPbBr3 на наноструктурированной подложке должно приводить к малому спектральному смещению лазерного пика. В отсутствие лазерной генерации подобное смещение просто невозможно обнаружить.

«Несмотря на уникальность и надёжность разработанной технологии, дешевизна и простота изготовления чувствительного элемента не способны компенсировать затраты на дорогостоящие источник возбуждения лазерной генерации (фемтосекундный лазер) и спектрометр высокого разрешения, необходимый для регистрации спектра генерации. Поэтому, в настоящее время мы разрабатываем новую технологию, позволяющую определять малые концентрации не только галогенидов водорода, но и других газов (озон, угарный газ, диоксид азота, аммиак) в воздухе по оптоэлектронному отклику в перовскитных нитевидных нанокристаллах. На её основе можно будет создавать дешёвые и компактные датчики и газовые детекторы», – рассказал разработчик Анатолий Пушкарёв.