Unikatowy optyczny czujnik gazu na bazie kryształu fotonicznego opracował dr inż. Adrian Zakrzewski z Politechniki Wrocławskiej. Może być wykorzystany m.in. do detekcji acetylenu, środków wybuchowych i różnego rodzaju zanieczyszczeń w środowisku

Działanie czujników optycznych opiera się na propagacji (czyli rozprzestrzeniania) wiązki światła pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Czujniki takie reagują na materiały, które przetną propagującą się wiązkę świetlną. W swojej pracy naukowiec zajmował się spektroskopowymi czujnikami optycznymi, które są wykorzystywane do detekcji gazów. W komercyjnym użyciu stosuje się je m.in. do wykrywania dwutlenku węgla w budynkach użyteczności publicznej.

Czujniki optyczne choć są skuteczne, to mają jednak swoje ograniczenia. Ich zastosowanie determinuje wartość dolnej granicy detekcji, czyli najmniejszego stężenia gazu, które może zostać oznaczone, a wartość tej granicy zależy od tego, jak długi jest czas oddziaływania wiązki światła z atmosferą gazową.

Spowolnić wiązkę światła

Chcąc wydłużyć ten okres w czujnikach komercyjnych, układa się wyjustowane w stosunku do siebie lustra, od których odbija się wiązka światła, zwiększając długość drogi optycznej i wydłużając tym samym czas oddziaływania. – To rozwiązanie jest jednak kłopotliwe, bo justowanie luster jest bardzo czasochłonne. Tych lustrzanych elementów musi być też dużo, a obecnie wszyscy dążymy do maksymalnej miniaturyzacji gotowych konstrukcji – mówi dr inż. Zakrzewski.

Drugą metodą wydłużania czasu oddziaływania jest zmniejszenie prędkości wiązki światła propagującej się w materiale zawierającym gaz i właśnie nad tego typu rozwiązaniem skupił się badacz z Politechniki Wrocławskiej.
– Zaprojektowałem strukturę, która nosi nazwę kryształu fotonicznego. Jest to warstwa krzemu o grubości 220 nanometrów, w której wytworzone zostały otwory powietrzne. Dzięki ich odpowiedniej średnicy i rozmieszczeniu wiązka światła propaguje się zarówno w krzemie, jak również w otworach i dodatkowo zwalnia. Udało mi się zatem wydłużyć czas oddziaływania światła z analizowanym gazem znajdującym się w otworach kryształu – tłumaczy dr inż. Zakrzewski.

Na podstawie opracowanych modeli badacz zaprojektował, wytworzył i scharakteryzował spektroskopowy czujnik acetylenu. Uzyskane wyniki wskazują, że dzięki zastosowaniu kryształu fonicznego wiązka światła została spowolniona aż 550-krotnie przy zachowaniu tego samego poziomu czułości. – Czujnik został zaprojektowały do detekcji acetylenu ze względu na duże zapotrzebowanie tego typu urządzeń na rynku, ale można go także przystosować do detekcji innych gazów. Może być stosowany wszędzie tam, gdzie konieczna jest dokładna i selektywna kontrola stężenia gazów m.in. w ochronie środowiska do detekcji zanieczyszczeń, do wykrywania środków wybuchowych czy też narkotyków – zaznacza badacz.

Obecnie dr Zakrzewski prowadzi badania w kierunku eksperymentalnego potwierdzenia  wyniku uzyskanego dla samego zjawiska spowolnienia wiązki światła. Dodatkowe analizy wykazały, że wiązkę światła można spowolnić jeszcze bardziej - nawet o około 2 tys. razy.

Innowacja na skalę światową
Opracowany na Politechnice Wrocławskiej nowoczesny czujnik stanowi istotny postęp w badaniach nad tego typu sensorami. – W literaturze światowej można znaleźć jedynie kilka publikacji na ten temat, a część z nich to materiały czysto teoretyczne. Myślę, że istnieją dwa – trzy opracowania przedstawiające praktyczną realizację badań, ale są one dużo mniej szczegółowe od osiągniętych i opisanych przez mnie wyników  – podkreśla naukowiec.

Badania dr inż. Zakrzewskiego zostały już docenione w konkursie o Nagrodę ABB. Jury wyróżniło jego badania, przyznając mu drugą nagrodę w wysokości 15 tys. zł. Doceniono bardzo solidne podstawy teoretyczne pracy i ich praktyczne zastosowanie. Zwrócono także uwagę na fakt, że przedstawione opracowanie w znaczący sposób uzupełnia dotychczasową wiedzę w swojej dziedzinie. – Kryształy fotoniczne to stosunkowo nowe materiały, których zastosowanie nie jest jeszcze powszechne, dlatego wysyłając swoje zgłoszenie, nie przypuszczałem, że taka korporacja jak ABB doceni wyniki moich badań. To prestiżowy konkurs, którego wyniki docierają do wielu naukowców z Polski i zagranicy. Mam nadzieję, że zwiększy to zainteresowanie tego typu czujnikiem i w przyszłości znajdzie on zastosowanie w przemyśle – dodaje dr inż. Zakrzewski.

Konkurs o Nagrodę ABB jest organizowany przez Korporacyjne Centrum Badawcze ABB od 13 lat. Każdego roku jury konkursu przyznaje nagrodę za najlepszą pracę inżynierską, magisterską lub doktorską poruszającą tematykę jednej z dziedzin działalności centrum. Prace mogą dotyczyć tematów związanych z elektroenergetyką, energoelektroniką, automatyką, nanotechnologią, diagnostyką przemysłową, inżynierią i zarządzaniem procesami wytwarzania, technologią i systemami inżynierskimi oraz informatycznymi, a także inżynierią materiałową.
Michał Ciepielski

(fot. materiały doktora Adriana Zakrzewskiego)