Hyperkänsliga sensorer med ny mätteknik på nanonivå
Forskare på Chalmers har utvecklat en ny mätteknik för att utnyttja optiska resonanser hos nanopartiklar. Tekniken öppnar nya mät- och sensormöjligheter inom till exempel katalys och vätelagring, två mycket viktiga områden på vägen mot en hållbar energiförsörjning och energianvändning.
Forskare från Kemisk fysik på Chalmers visar nu att plasmonresonansen i nanopartiklar kan användas som en ytterst känslig mätteknik för att studera och känna av processer även i nanomaterial och tunna skikt som inte har egna plasmonsresonanser, till exempel isolatorer, halvledare och plaster.
Plasmoner är svängningar hos nanopartiklar med speciella optiska egenskaper. När resonans uppstår, svänger elektronerna i takt med ljusets frekvens, det vill säga ljusets färg. Partiklarna fångar in ljuset som små antenner. Resonansens frekvens påverkas av resonanspartiklarnas närmaste omgivning, och partiklarna fungerar därför som ett slags nanokänselspröt för sin närmaste omgivning.
De nya resultaten öppnar vägen för både ny mätteknik och utveckling av helt nya, hyperkänsliga sensorer. Tillsammans med Chalmers Entreprenörskola undersöks i projektet CleanSense möjligheterna till kommersialisering av resultaten. CleanSense belönades i maj 2009 med tredje pris i affärsplanstävlingen Venture Cup Väst.
Forskningen presenteras bland annat i två färska doktorsavhandlingar, av Elin Larsson och Christoph Langhammer.
– Elins och Christophs resultat är utomordentligt intressanta. Dels vetenskapligt, vi prövar att få in artiklarna i Science och Nature, men också på grund av de spännande applikationsmöjligheter de medför, säger professor Bengt Kasemo, som varit handledare för de båda avhandlingarna.
Sensorer används dagligen inom en mängd områden, allt från medicinsk diagnostik till styrning av förbränning och katalysatorer i fordonsmotorer, metalldetektorer, narkotika- och sprängmedelsdetektion till tryckknappar i hissar. Dagens sensorer är ofta dyra och/eller opraktiska på grund av kort livslängd, låg selektivitet eller låg känslighet.
Ökade kunskaper om katalysprocesser kommer att leda till bättre katalysatorer, vilket i sin tur kan hjälpa till att minska material- och energiåtgången i en mängd processer inom industrin, och även minska miljöfarliga utsläpp från både fordon och industri.
I dagsläget finns ytterst få tekniker med vilka man kan studera en katalysator i realtid under realistiska förhållanden.
– Vi blev positivt överraskade över att det går att uppnå så pass hög känslighet, som vi faktiskt har sett i våra tester, säger Elin Larsson, som använt tekniken för att studera reaktioner på katalysatorer. Hon kommer framöver att vidareutveckla metodiken vid Kompetenscentrum för Katalys, KCK, på Chalmers.
Christoph Langhammer har med samma metod studerat lagring av vätgas i nanopartiklar.
– De två största teknologiska utmaningarna, innan vätgas till exempel kan ersätta bensin eller diesel som bilbränsle, är säker lagring av vätgas och att ta fram hållbara metoder för att producera väte, säger han.
I sin avhandling presenterar Christoph Langhammer två olika sensorprinciper som bygger på plasmonresonansens känslighet för förändringar i nanopartikeln själv, eller i dess närmaste omgivning.
Förväntningarna är mycket stora på vätgas som en framtida hållbar energibärare, och på att många av lösningarna på problemen med säker framställning och lagring finns inom nanoteknologin. I det utvecklingsarbetet behövs nya forskningsverktyg och sensorer för att studera till exempel vätelagring i fasta material i nanostorlek.
Forskningen har till stor del drivits inom det SSF-finansierade projektet Fotoaktiva nanostrukturer, och den fortsatta inriktningen ligger i linje med projektet ”Nanoteknik för uthållig energi och miljö” som stöds av Chalmers Stiftelse och Statens Energimyndighet.
Kontaktinformation
För mer information, kontakta:
Elin Larsson, Kemisk fysik, Institutionen för teknisk fysik, Chalmers tekniska högskola
Tel: 031-772 34 64 Mobil: 070-394 81 04
elarsson@chalmers.se
Christoph Langhammer, Kemisk fysik, Institutionen för teknisk fysik, Chalmers tekniska högskola
Tel: 031-772 30 07 , Mobil: 073-652 89 80
clangham@chalmers.se
Handledare: Bengt Kasemo, Kemisk fysik, Institutionen för teknisk fysik, Chalmers tekniska högskola
Tel: 031-772 33 70 , Mobil: 070-828 26 01
kasemo@chalmers.se
