Najważniejsze cele badań

• poszukiwanie nowych materiałów i nanostruktur wykazujących dobre własności  detekcyjne  dla zastosowań w detekcji gazów wybuchowych, toksycznych, szkodliwych dla środowiska naturalnego oraz  wskazujących na rozwój chorób,  takich, jak np. cukrzyca
• optymalizacja parametrów wytwarzanych sensorów gazowych w tym selektywności, czułości, czasu odpowiedzi i poboru mocy
• badanie wpływu rodzaju  i  koncentracji  domieszek  oraz  katalizatorów  na  selektywność, obniżenie temperatury pracy
• zastosowanie matryc sensorów częściowo selektywnych, a następnie przetwarzanie sygnału z użyciem metod statystycznych i/lub sztucznej inteligencji

Pracownicy wchodzący w skład ZLNS od kilku lat prowadzą badania podstawowe w zakresie stosowania półprzewodnikowych, rezystancyjnych czujników gazów wykorzystujących tlenki metali modyfikowane domieszkami i katalizatorami.

Czujniki wodoru

W ramach tych badań zostały wykonane różne nanostruktury, przedstawione na Rys. 1.

Rys 1. Różne nanostruktury na bazie TiO2: (a,b) cienkie warstwy (SEM), (c,d) nanorurki(SEM), (e,f) nanoproszki (TEM), (h) nanokwiatki, (i) SnO2 nanocząstki dekorujące powierzchnię nanokwiatków TiO2. Typowa odpowiedź sensora rezystancyjnego na wodór jest pokazana na wykresie (g)

Na szczególne zainteresowanie zasługują badania nad  opracowaniem technologii otrzymywania  nanocząstek metali  lub tlenków metali na podłożach  Si  i  Ti  dla  zastosowań  w  selektywnych  sensorach  gazu  (Rys.1h,1g).  Zastosowano  nową metodą kondensacji w fazy gazu obojętnego IGC (ang. Inert Gas Condensation), która  polega  na  rozpylaniu  tarcz metalicznych  w  kontrolowanej  atmosferze  gazu obojętnego  Ar+He  i  osadzaniu  go  w  postaci nanoklastrów  na  podłożu dzięki obniżonej temperaturze oraz spowalnianiu poprzez zderzenia z gazem obojętnym. Proces przebiega w czterech następujących po sobie kolejnych etapach: rozpylanie tarczy, agregacja, filtrowanie  (dzięki  zastosowaniu  spektroskopii masowej) i osadzanie na podłożu. Istotnym czynnikiem w tworzeniu nanocząstek jest utrzymanie, poprzez odpowiednie pompowanie, różnicy ciśnień pomiędzy komorą, w której znajduje się nanodziało a  komorą,  w  której  osadzane  są nanocząstki. Otrzymane nanostruktury poddano badaniom zmierzającym do  ich  charakteryzacji  w  tym  dyfrakcji promieniowania X XRD, transmisyjnej mikroskopii elektronowej TEM, skaningowej mikroskopii elektronowej SEM, spektrofotometrii w zakresie ultrafioletu i bliskiej podczerwieni, rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów XPS.  Prowadzono również prace teoretyczne nad modelem opisującym oddziaływanie, w warunkach statycznych, pomiędzy nanomateriałami na bazie TiO2 a gazem redukującym, jakim jest wodór.

Detektory śladowych  ilości bioznaczników cukrzycy obecnych w  ludzkim  oddechu

Bioznacznikami  nazywamy  substancje,  których  obecność  w ludzkim organizmie świadczy o patologicznych zmianach w nim zachodzących. Za bioznaczniki cukrzycy uznawane  są  niektóre lotne związki organiczne (LZO) obecne w wydychanym powietrzu, m.in. aceton, etylobenzen, etanol, propan,  etc.    Ich średnia koncentracja w oddechu jest w  zakresie  od  kilku  cząsteczek  na  miliard  ppb  (part  per  bilion)  do  kilku cząsteczek na milion ppm (part per milion). Komercyjnie stosowane czujniki mają czułość na poziomie od kilku  do kilkudziesięciu cząstek na milion. Obecnie nie  ma  na  rynku  czujników,  które  umożliwiałbym  detekcję  ww.  LZO  na poziomie pojedynczych ppb. Aktualnie stosowane rozwiązania do analizy śladowej ilości bioznaczników  cukrzycy  wykorzystują skomplikowaną aparaturę analityczną tj. chromatograf  gazowy  w  połączeniu ze spektrometrem  masowym (GC/MS), spektrometr masowy z czasem przelotu (MS-TOF) i inne. Alternatywą dla takich rozwiązań są mikrosystemy pomiarowe zbudowane z układów wstępnego zatężania składników próbki (mikroprekoncentratory) oraz  układów  detekcyjnych, najczęściej wykonanych w postaci matrycy czujników. Przykład dotychczas zbudowanych z zespole wnioskującym matryc sensorowych przedstawiono na Rys. 2 i Rys.3. Wyniki dotychczasowych prac stanowi opracowanie czujnika na bazie Si:WO3 otrzymanego w technice rozpylania magnetronowego pod kątem (ang. GLAD – Glancing Angle Deposition), o zwiększonej czułości na aceton, czujnika na bazie Cr:CuO o zwiększonej czułości na propan oraz czujników mikrofalowych pracujących w temperaturze pokojowej z selektywną detekcją acetonu.

 Czujniki gazów środowiskowych

Mają za zadanie określić poziomy wybranych zanieczyszczeń gazowych znajdujących się w powietrzu, którym oddychamy. Do substancji tych należą np. tlenek węgla CO, tlenki azotu (NOx), aceton, lotne związki organiczne (LZO), ozon (O₃) i inne.

Zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych jest jednym z najważniejszych obecnie celów działań podejmowanych przez Europę. Wskazuje się, że zmiany klimatu w ciągu następnych 50 lat wyraźnie wpłyną na funkcjonowanie głównych sektorów, takich jak zasoby wodne i gospodarka wodna, rolnictwo, leśnictwo, rybołówstwo, infrastruktura i transport, turystyka, ochrona  zdrowia  (ludzi,  zwierząt  i  roślin),  energetyka, ekosystemy (w tym morskie).  Przewiduje  się,  że  przyspieszeniu  ulegnie degradacja ekosystemów, szybciej  następować  będzie  zmniejszenie  się  różnorodności  biologicznej.  Zmiany  klimatu  odczują zarówno gospodarstwa domowe, jak i  przedsiębiorstwa, a  także  słabsze grupy  społeczne  ─  szczególnie  dzieci, osoby starsze i niepełnosprawne. Aby przeciwdziałać skutkom degradacji klimatu należy rozwijać metody i narzędzia monitorowania atmosfery.

Znajomość koncentracji badanych gazów pozwala podjąć działania, w wyniku których mogą być minimalizowane skutki emisji gazów szkodliwych dla człowieka i jego środowiska  naturalnego.

 Mikroprocesorowe systemy pomiarowe

Znajdują  powszechne  zastosowanie  we  współczesnej  technice  i  stają  się nieodzownym elementem życia codziennego. Czujniki pomiarowe, zwłaszcza te wykonane przy  użyciu  nowoczesnych technologii wytwarzania nanostruktur oraz technologii mikromechanicznej w krzemie, są integralną częścią systemów mikromechanicznych MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems).

Rys.2. Matryca czujników: (a) matryca w połączeniu z układem mikroprekoncentratora w technologii LTCC, (b) matryca komercyjnych czujników firmy Figaro®

Rys.3. Matryca czujników wraz z układem zatężania zamknięta w obudowie