超靈敏的光學傳感器可降低氫氣的風險

zaizhuiqiuqingjiehekezaishengnengyuandeguochengzhong，qingqifahuizhezhongyaozuoyong。danzheyizhuanbiansuomianlindeyigezhuyaotiaozhanshi，zhezhongqitiyukongqihunheshijuyoubaozhaxing。chuyuzhegeyuanyin
，nenggoujinzaofaxianqingqidexieloushizhiguanzhongyaode。xianzai，zhaermusiligongdaxue（Chalmers University of Technology)、阿姆斯特丹自由大學（Vrije Universiteit Amsterdam）和埃因霍芬理工大學（Eindhoven University of Technology）的研究人員已經開發出一種光學傳感器，可以檢測到創紀錄的低濃度氫氣泄漏。

氫氣被視為重型運輸部門去碳化的一個重要部分，世界各地正在開發和部署以氫氣為動力的火車、卡車和飛機。即使在重工業中
，氫氣也被認為是非常重要的，例如用於生產無化石的鋼鐵。

儲存或使用氫氣的風險是眾所周知的。在空氣中隻需要4%的氫氣就能形成爆炸性混合物，隻要一點火花就能點燃。因此，重要的是要有超靈敏的傳感器來監測氫氣泄漏並在關鍵時刻發出警報。

氫氣使用中安全是最重要的

瑞(rui)典(dian)查(zha)爾(er)姆(mu)斯(si)理(li)工(gong)大(da)學(xue)物(wu)理(li)係(xi)的(de)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)與(yu)荷(he)蘭(lan)同(tong)事(shi)一(yi)起(qi)
，開(kai)發(fa)出(chu)一(yi)種(zhong)光(guang)學(xue)氫(qing)氣(qi)傳(chuan)感(gan)器(qi)，可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)到(dao)創(chuang)紀(ji)錄(lu)的(de)低(di)濃(nong)度(du)氫(qing)氣(qi)泄(xie)漏(lou)。因(yin)此(ci)該(gai)款(kuan)傳(chuan)感(gan)器(qi)加(jia)入(ru)了(le)世(shi)界(jie)上(shang)最(zui)靈(ling)敏(min)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)行(xing)列(lie)。新(xin)的(de)研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)在(zai)Nature Communications上發表了一篇文章。

文章的主要作者之一，查爾姆斯理工大學教授Christoph Langhammer說：“zaisuoyouqingqideshiyonghechucunzhong，anquanshizuizhongyaode。ruguoqingqizaixielouzaoqibeifaxian
，tamenkeyibeixiufu，zheyangnijiuyouxiwangbubiranggongchanghuocheliangtingzhishiyong”。

AI技術引領潮流

光(guang)學(xue)氫(qing)氣(qi)傳(chuan)感(gan)器(qi)由(you)許(xu)多(duo)金(jin)屬(shu)納(na)米(mi)粒(li)子(zi)組(zu)成(cheng)，它(ta)們(men)一(yi)起(qi)工(gong)作(zuo)以(yi)檢(jian)測(ce)周(zhou)圍(wei)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)氫(qing)氣(qi)。如(ru)何(he)設(she)計(ji)新(xin)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)方(fang)法(fa)與(yu)以(yi)前(qian)的(de)做(zuo)法(fa)不(bu)同(tong)。研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)沒(mei)有(you)生(sheng)產(chan)大(da)量(liang)的(de)樣(yang)品(pin)並(bing)對(dui)它(ta)們(men)進(jin)行(xing)單(dan)獨(du)測(ce)試(shi)，看(kan)哪(na)一(yi)個(ge)效(xiao)果(guo)最(zui)好(hao)，而(er)是(shi)利(li)用(yong)先(xian)進(jin)的(de)人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)技(ji)術(shu)
，根(gen)據(ju)顆(ke)粒(li)之(zhi)間(jian)的(de)距(ju)離(li)、直徑和厚度
，創造出最佳的互動。其結果是一個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運而生。

新xin傳chuan感gan器qi的de低di檢jian測ce極ji限xian背bei後hou的de秘mi密mi是shi顆ke粒li在zai表biao麵mian上shang的de規gui則ze排pai列lie和he它ta們men的de微wei調tiao尺chi寸cun的de結jie合he。事shi實shi證zheng明ming，這zhe比bi以yi前qian同tong類lei型xing的de傳chuan感gan器qi中zhong使shi用yong的de隨sui機ji顆ke粒li排pai列lie更geng有you利li於yu傳chuan感gan器qi的de靈ling敏min度du。

Christoph Langhammer的(de)研(yan)究(jiu)小(xiao)組(zu)此(ci)前(qian)已(yi)經(jing)研(yan)發(fa)出(chu)世(shi)界(jie)上(shang)最(zui)快(kuai)的(de)氫(qing)氣(qi)傳(chuan)感(gan)器(qi)。對(dui)他(ta)們(men)來(lai)說(shuo)，很(hen)明(ming)顯(xian)，需(xu)要(yao)許(xu)多(duo)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)，而(er)且(qie)必(bi)須(xu)針(zhen)對(dui)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)進(jin)行(xing)優(you)化(hua)。

Christoph Langhammer說：“圍wei繞rao氫qing氣qi的de技ji術shu已yi經jing有you了le巨ju大da的de飛fei躍yue，因yin此ci今jin天tian的de傳chuan感gan器qi需xu要yao更geng加jia精jing確que，並bing為wei不bu同tong的de目mu的de量liang身shen定ding做zuo。有you時shi需xu要yao一yi個ge非fei常chang快kuai速su的de傳chuan感gan器qi
，有you時shi需xu要yao一yi個ge在zai惡e劣lie的de化hua學xue環huan境jing或huo低di溫wen下xia工gong作zuo的de傳chuan感gan器qi。一yi個ge單dan一yi的de傳chuan感gan器qi設she計ji不bu能neng滿man足zu所suo有you的de需xu求qiu”。

光學氫氣傳感器如何工作

研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)開(kai)發(fa)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)基(ji)於(yu)一(yi)種(zhong)光(guang)學(xue)現(xian)象(xiang)
，即(ji)等(deng)離(li)激(ji)元(yuan)
，當(dang)金(jin)屬(shu)納(na)米(mi)粒(li)子(zi)捕(bu)獲(huo)光(guang)線(xian)時(shi)發(fa)生(sheng)等(deng)離(li)激(ji)元(yuan)，並(bing)使(shi)粒(li)子(zi)具(ju)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)顏(yan)色(se)。如(ru)果(guo)納(na)米(mi)粒(li)子(zi)是(shi)由(you)鈀(ba)或(huo)鈀(ba)合(he)金(jin)製(zhi)成(cheng)的(de)
，那(na)麼(me)當(dang)周(zhou)圍(wei)的(de)氫(qing)氣(qi)量(liang)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)時(shi)
，它(ta)們(men)的(de)顏(yan)色(se)就(jiu)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，如(ru)果(guo)氫(qing)含(han)量(liang)達(da)到(dao)臨(lin)界(jie)水(shui)平(ping)，傳(chuan)感(gan)器(qi)就(jiu)會(hui)觸(chu)發(fa)警(jing)報(bao)。

weilezhaodaochuanganqizhonglizidebiaomianpailiehejihexingzhuangdezuijiazuhe，yanjiurenyuanshiyongleyizhongchengweiliziqunyouhuaderengongzhinengsuanfa，yidadaoduibaoluyuqingqidezuigaolingmindu。jieguozhengming
，jianglizianfeichangjingquedeguizemoshifangzhijiushidaan。

在人工智能設計的基礎上，優化的光學氫氣傳感器被製造出來
，並被驗證是第一個在 “十億分之一 ”範圍內（250 ppb）光學檢測氫氣的產品。

圖 通過粒子群優化找到具有最高品質因數 (FoM) 的傳感器參數

有關超靈敏光學傳感器的更多信息，可參見Inverse designed plasmonic metasurface with  

parts per billion optical hydrogen detection(https://www.nature.com/articles/s41467-022-33466-8#Sec7)