Colore

Un semplice cambiamento di colore potrebbe indicare la presenza di gas idrogeno potenzialmente pericoloso grazie a un nuovo sensore sviluppato da ricercatori tedeschi. Il dispositivo su scala micron, che utilizza le cosiddette “supraparticelle” che virano dal viola al rosa in presenza di idrogeno, potrebbe aiutare a prevenire le esplosioni rendendo più facile rilevare e localizzare le perdite nelle stazioni di rifornimento, nei generatori e nelle condutture.

L’idrogeno prodotto utilizzando energia rinnovabile è un combustibile rispettoso dell’ambiente e potrebbe svolgere un ruolo importante nella transizione verso fonti energetiche più sostenibili. È, tuttavia, estremamente infiammabile e potenzialmente esplosivo in presenza di aria, e la sua natura incolore e inodore lo rende difficile da rilevare. I sensori ottici di idrogeno tendono a impiegare strutture complesse come nanoantenne, sorgenti luminose, fibre ottiche e dispositivi di controllo elettronico per convertire un segnale ottico in una risposta leggibile, mentre i sensori di idrogeno "gasocromici" (cioè che cambiano colore) sono spesso fabbricati come sottili pellicole di substrati specifici, risultando in una fragile struttura multistrato.

Un consorzio di scienziati della FAU Erlangen-Nürnberg, coordinato da Jakob Reichstein nel gruppo di ricerca di Karl Mandel, ha ora realizzato un sensore di idrogeno alternativo utilizzando supraparticelle con tre componenti: nanoparticelle di silice, nanoparticelle di oro-palladio (Au-Pd) e un colorante indicatore chiamato resazurina. Il team ha combinato questi tre ingredienti in una dispersione acquosa che hanno atomizzato per generare piccole goccioline. Hanno quindi introdotto le goccioline in una camera calda in un processo noto come essiccazione a spruzzo. Quando il solvente evapora, Reichstein spiega che le nanoparticelle e le molecole del colorante vengono costrette insieme, formando una struttura nota come struttura sopraparticellare mesoporosa accessibile ai gas come l'idrogeno.

Poiché le particelle nella struttura assorbono acqua dall'atmosfera, formano un sistema trifase che consente alle molecole di resazurina di propagarsi liberamente. In effetti, Reichstein afferma che l'acqua agisce come un mezzo di trasporto, trasportando le molecole del colorante resazurina verso le nanoparticelle catalitiche attive di Au-Pd. In presenza di idrogeno, la resazurina viene ridotta (cioè raccoglie un atomo di idrogeno), formando una sostanza chimica correlata, la resorufina. Se l’idrogeno continua ad essere presente – come nel caso di una perdita in corso – avviene un’ulteriore reazione di riduzione, che trasforma la resorufina in idroresorufina.

"La riduzione della resazurina indotta dall'idrogeno è accompagnata da un distinto cambiamento di colore delle sopraparticelle in due fasi: la prima irreversibilmente dal viola al rosa e poi reversibilmente allo stato incolore", spiega Reichstein. "Questi cambiamenti possono essere visti ad occhio nudo."

Reichstein afferma che le superparticelle che indicano l'idrogeno del team hanno diverse possibili applicazioni. Con diametri compresi tra 1 e 10 µm, le particelle sono sufficientemente piccole da poter essere incorporate come additivi o pigmenti in vari materiali, compresi i rivestimenti sulle tubazioni e gli indumenti di sicurezza. Ciò li rende facili da sfruttare per il rilevamento rapido dell’idrogeno e per localizzare con precisione le perdite in quasi ogni punto di interesse.

Il sensore dell'idrogeno è ispirato alle ali delle farfalle

I ricercatori, che riportano il loro lavoro in Advanced Functional Materials, pianificano di ottimizzare le loro superparticelle fino a quando non potranno “realizzare il loro pieno potenziale, implementarle in applicazioni nella vita reale e quindi dare un contributo a un’economia dell’idrogeno più sicura”. "Attualmente stiamo studiando e migliorando la sensibilità delle sovraparticelle e la loro stabilità a lungo termine", conclude Reichstein. "Stiamo anche testando la funzionalità gasocromica delle sopraparticelle nei rivestimenti."