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    Des physiciens russes trouvent un nouveau moyen de détecter les gaz inflammables

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    Le MEPhI (Institut d'ingénierie physique de Moscou) de l'Université nationale de recherche nucléaire a élaboré le prototype d'un dispositif capable de détecter l'hydrogène sans capteurs thermochimiques.

    L'article sur cette étude soutenue financièrement par le ministère russe de l'Éducation et de la Science est paru dans le magazine Technical Physics Letters.

     

    L'hydrogène, mélangé à l'air, se transforme en gaz explosif. C'est pourquoi les chercheurs élaborent aujourd'hui différents capteurs d'hydrogène fonctionnant dans des conditions difficiles (par exemple de température élevée ou de forte concentration en gaz).

     

    Les détecteurs traditionnels d'hydrogène dans les mélanges gazeux sont munis de capteurs thermochimiques. Une réaction d'inflammation de l'hydrogène réchauffant cette surface est possible sur sa plaque. Le capteur enregistre ce réchauffement captant la présence d'hydrogène et mesurant sa quantité dans l'air. Mais la grande taille de ces thermo-éléments crée des problèmes quand les capteurs sont intégrés dans des capteurs multifonctionnels fabriqués sur la même puce. C'est pourquoi la science s'intéresse particulièrement à l'utilisation de réserves «internes» de structures à couches minces créées sur des supports monocrystaliques de carbure de silicium. Ainsi, il serait possible de se passer de sources d'alimentation extérieures en n'utilisant, en tant que réaction, que les changements de propriétés de la matière qu'il serait possible de mesurer.

     

    Les chercheurs du MEPhI ont décidé d'analyser la manière dont changeaient les propriétés de la structure MOSiC (métal-oxyde-carbure de silicium) en fonction de la teneur en hydrogène dans l'air. Les scientifiques ont appliqué sur une plaque de carbure de silicium (15x15 mm, 400 micromètres d'épaisseur) deux couches: «de travail», une couche d'oxyde de wolfram sensible à l'hydrogène (200 nanomètres d'épaisseur) et de titane (10 nanomètres) censée accélérer la réaction chimique. Derrière la plaque a été créé un contact pour capter le courant.

    Le dispositif observé a été installé sur un radiateur spécial assurant une température stable. Sa chaleur stimulait les conditions d'exploitation du capteur dans des systèmes réels. Et la stabilisation de la température assurait une séparation rigoureuse des effets dans le capteur liés à son changement et à l'interaction avec l'hydrogène. Une plaque de saphir se trouvait entre le radiateur et le dispositif avec une couche d'or pour isoler le contact arrière des effets électromagnétiques extérieurs. Le radiateur avec le dispositif étudié a été installé dans une caisse volumique en inox où il était possible de créer un mélange air-hydrogène avec une concentration d'hydrogène contrôlée.

    Pour enregistrer la présence d'hydrogène, les chercheurs mesuraient le signal électrique survenant entre les deux côtés du dispositif: sensible au gaz (en oxyde de wolfram) et l'arrière. L'apport d'hydrogène dans l'air jusqu'à une concentration de 2% a multiplié par 15 le signal — ce qui est largement supérieur à la réaction d'un système similaire enregistré de manière traditionnelle. Cette dernière consiste à mesurer le courant passant par la structure en utilisant une tension extérieure appliquée. La nouvelle méthode consiste à mesurer le courant parcourant la plaque de l'avant à l'arrière sans tension extérieure. Sachant que la structure MOSiC créée fonctionnait sans application de couche catalytique de titane coûteux, et l'intensité du signal de réaction à l'hydrogène était suffisante pour l'utiliser en pratique sans sources de courant supplémentaires.

    «La vitesse et la grandeur de la réaction à l'hydrogène témoignent de la possibilité réelle d'utiliser cet effet dans les capteur à haute température d'hydrogène à base de carbure de silicium. Les propriétés structurelles, chimiques et électro-physiques des couches obtenues subissent des changements notables au contact des molécules d'hydrogène, notamment à température élevée (jusqu'à 500°C). Les changements multifactoriels sur la couche d'oxyde de métal en interaction avec l'hydrogène se manifestent par la génération d'une impulsion électrique captée entre la surface sensible au gaz et arrière de la plaque semi-conductrice de carbure de silicium», explique l'un des auteurs Viatcheslav Fominski, directeur de l'Institut des technologies laser et plasma du MEPhI.

    L'enregistrement d'hydrogène et d'autres gaz inflammables dans les conditions difficiles de haute température et concentration est un problème d'actualité aussi bien pour la science que pour de nombreux secteurs industriels. Selon les chercheurs, la nouvelle élaboration permettra de fabriquer des détecteurs efficaces non seulement pour l'hydrogène, mais également pour d'autres gaz inflammables.

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    Tags:
    hydrogène, recherche, gaz, science, Université nationale de recherche nucléaire (MEPhI), Russie
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