Detectar hidrógeno es un reto en muchos sentidos. El gas es invisible e inodoro, pero volátil y extremadamente inflamable. Se requiere sólo un 4% de hidrógeno en el aire para producir un gas conocido como "knallgas", que se enciende ante la chispa más pequeña. Por tanto, para que los vehículos de hidrógeno y la infraestructura asociada sean suficientemente seguros, debe ser posible detectar cantidades extremadamente pequeñas de hidrógeno en el aire, utilizando sensores lo suficientemente rápidos como para que se descubran las fugas antes de que ocurra un incendio.
Ferry Nugroho y Christoph Langhammer, de la Universidad Tecnológica de Chalmers, lo han logrado. En concreto, han desarrollado un nanosensor óptico encapsulado en un material plástico. El sensor funciona basándose en un fenómeno óptico -un plasmón- que se produce cuando las nanopartículas metálicas se iluminan y captan la luz visible. El sensor simplemente cambia de color cuando la cantidad de hidrógeno en el ambiente varía.
El plástico alrededor del diminuto sensor no es sólo para protección, sino que funciona como un componente clave. Aumenta el tiempo de respuesta del sensor al acelerar la absorción de las moléculas de hidrógeno en las partículas metálicas donde pueden ser detectadas. También actúa como una barrera efectiva para el medio ambiente, evitando que otras moléculas entren y desactiven el sensor. De este modo, el sensor puede funcionar de forma altamente eficiente y sin perturbaciones, lo que le permite cumplir con las rigurosas exigencias de la industria del automóvil: ser capaz de detectar un 0,1% de hidrógeno en el aire en menos de un segundo.
"No sólo hemos desarrollado el sensor de hidrógeno más rápido del mundo, sino también un sensor que es estable en el tiempo y no se desactiva. A diferencia de los sensores de hidrógeno actuales, nuestra solución no necesita ser recalibrada tan a menudo, ya que está protegida por el plástico", explica Ferry Nugroho, investigador del Departamento de Física de Chalmers, en un artículo publicado en la página web del centro.
Mucho trabajo experimental y teórico
Fue durante su época de estudiante de doctorado cuando Ferry Nugroho y su supervisor Christoph Langhammer se dieron cuenta de que estaban ante algo grande. Después de leer un artículo científico en el que se afirmaba que nadie había logrado todavía cumplir los estrictos requisitos de tiempo de respuesta impuestos a los sensores de hidrógeno para los futuros vehículos de hidrógeno, probaron su propio sensor.
Se dieron cuenta de que estaban a sólo un segundo del objetivo, sin ni siquiera intentar optimizarlo. El plástico, originalmente concebido como una barrera, hizo el trabajo mejor de lo que se podían haber imaginado, al hacer que el sensor fuera más rápido. El descubrimiento condujo a un intenso periodo de trabajo experimental y teórico.
"Queríamos encontrar la mejor combinación de nanopartículas y plástico, entender cómo funcionaban juntas y qué las hacía tan rápidas. Nuestro arduo trabajo dio resultados. En tan sólo unos meses, logramos el tiempo de respuesta requerido, así como la comprensión teórica básica de lo que lo facilita", dice Ferry Nugroho.
Aunque el objetivo principal es utilizar el hidrógeno como portador de energía, el sensor también presenta otras posibilidades. Se necesitan sensores de hidrógeno altamente eficientes en la industria de redes eléctricas o en la química, pero también pueden ayudar a mejorar los diagnósticos médicos. "La cantidad de gas hidrógeno en nuestra respiración puede proporcionar respuestas a, por ejemplo, inflamaciones e intolerancias alimentarias. Esperamos que nuestros resultados puedan ser utilizados en un amplio frente. Esto es mucho más que una publicación científica", dice Christoph Langhammer.
Los investigadores esperan que, a largo plazo, el sensor pueda fabricarse en serie de forma eficiente, por ejemplo, utilizando tecnología de impresión 3D.
