在追求清潔和可再生能源的過程中，氫氣發(fā)揮著重要作用。但這一轉(zhuǎn)變所面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是，這種氣體與空氣混合時(shí)具有爆炸性。出于這個(gè)原因，能夠盡早發(fā)現(xiàn)氫氣的泄漏是至關(guān)重要的。現(xiàn)在，查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology)、阿姆斯特丹自由大學(xué)（Vrije Universiteit Amsterdam）和埃因霍芬理工大學(xué)（Eindhoven University of Technology）的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種光學(xué)傳感器，可以檢測到創(chuàng)紀(jì)錄的低濃度氫氣泄漏。

氫氣被視為重型運(yùn)輸部門去碳化的一個(gè)重要部分，世界各地正在開發(fā)和部署以氫氣為動力的火車、卡車和飛機(jī)。即使在重工業(yè)中，氫氣也被認(rèn)為是非常重要的，例如用于生產(chǎn)無化石的鋼鐵。

儲存或使用氫氣的風(fēng)險(xiǎn)是眾所周知的。在空氣中只需要4%的氫氣就能形成爆炸性混合物，只要一點(diǎn)火花就能點(diǎn)燃。因此，重要的是要有超靈敏的傳感器來監(jiān)測氫氣泄漏并在關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)出警報(bào)。

氫氣使用中安全是最重要的

瑞典查爾姆斯理工大學(xué)物理系的研究人員與荷蘭同事一起，開發(fā)出一種光學(xué)氫氣傳感器，可以檢測到創(chuàng)紀(jì)錄的低濃度氫氣泄漏。因此該款傳感器加入了世界上最靈敏的傳感器行列。新的研究成果在Nature Communications上發(fā)表了一篇文章。

文章的主要作者之一，查爾姆斯理工大學(xué)教授Christoph Langhammer說：“在所有氫氣的使用和儲存中，安全是最重要的。如果氫氣在泄漏早期被發(fā)現(xiàn)，它們可以被修復(fù)，這樣你就有希望不必讓工廠或車輛停止使用”。

AI技術(shù)引領(lǐng)潮流

光學(xué)氫氣傳感器由許多金屬納米粒子組成，它們一起工作以檢測周圍環(huán)境中的氫氣。如何設(shè)計(jì)新的傳感器的方法與以前的做法不同。研究人員沒有生產(chǎn)大量的樣品并對它們進(jìn)行單獨(dú)測試，看哪一個(gè)效果最好，而是利用先進(jìn)的人工智能技術(shù)，根據(jù)顆粒之間的距離、直徑和厚度，創(chuàng)造出最佳的互動。其結(jié)果是一個(gè)能夠檢測到小至幾十萬分之一的氫氣濃度變化的傳感器應(yīng)運(yùn)而生。

新傳感器的低檢測極限背后的秘密是顆粒在表面上的規(guī)則排列和它們的微調(diào)尺寸的結(jié)合。事實(shí)證明，這比以前同類型的傳感器中使用的隨機(jī)顆粒排列更有利于傳感器的靈敏度。

Christoph Langhammer的研究小組此前已經(jīng)研發(fā)出世界上最快的氫氣傳感器。對他們來說，很明顯，需要許多不同類型的傳感器，而且必須針對具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。

Christoph Langhammer說：“圍繞氫氣的技術(shù)已經(jīng)有了巨大的飛躍，因此今天的傳感器需要更加精確，并為不同的目的量身定做。有時(shí)需要一個(gè)非常快速的傳感器，有時(shí)需要一個(gè)在惡劣的化學(xué)環(huán)境或低溫下工作的傳感器。一個(gè)單一的傳感器設(shè)計(jì)不能滿足所有的需求”。

光學(xué)氫氣傳感器如何工作

研究人員開發(fā)的傳感器是基于一種光學(xué)現(xiàn)象，即等離激元，當(dāng)金屬納米粒子捕獲光線時(shí)發(fā)生等離激元，并使粒子具有明顯的顏色。如果納米粒子是由鈀或鈀合金制成的，那么當(dāng)周圍的氫氣量發(fā)生變化時(shí)，它們的顏色就會發(fā)生變化，如果氫含量達(dá)到臨界水平，傳感器就會觸發(fā)警報(bào)。

為了找到傳感器中粒子的表面排列和幾何形狀的最佳組合，研究人員使用了一種稱為粒子群優(yōu)化的人工智能算法，以達(dá)到對暴露于氫氣的最高靈敏度。結(jié)果證明，將粒子按非常精確的規(guī)則模式放置就是答案。

在人工智能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化的光學(xué)氫氣傳感器被制造出來，并被驗(yàn)證是第一個(gè)在 “十億分之一 ”范圍內(nèi)（250 ppb）光學(xué)檢測氫氣的產(chǎn)品。

圖 通過粒子群優(yōu)化找到具有最高品質(zhì)因數(shù) (FoM) 的傳感器參數(shù)