06.11.2013

От ювелиров к ученым. В Новосибирске изобрели датчики влажности из опалов

Опал может быть интересен не только ювелирам и их клиенткам. С такой идеей выступили ученые Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН и разработали на основе переливающегося всеми цветами радуги минерала инновационные датчики влажности.

Датчики на основе опала оказались менее дорогими, более устойчивыми к химическим воздействиям и менее чувствительными к электрическим и магнитным помехам или пыли, чем уже представленные на рынке модели. Важно, что в опаловых датчиках, в отличие, например, от электронных, не нужно будет периодически заменять расходные материалы. Однако одно из главных преимуществ в том, что удалось избавиться от необходимости калибровки датчика после установки его на месте эксплуатации — этим недостатком отличались практические все ранее существующие датчики. Добиться столь впечатляющего результата помогло использование природной структуры опала.

Дмитрий Беликов, геолог, минералог:

- Опал относится к числу так называемых фотонных кристаллов, также как, к примеру, кальцит или лабрадор. Под электронным микроскопом видно, что он состоит из шариков аморфного крем­незема (диоксида кремния, SIO₂) диаметром примерно 200 нанометров. Наносферы расположены в виде правильной, абсолютно симметричной трехмерной решетки. Тонкие одинаковые сферы твердого кремния плавают в растворе кремния. Опал отличается уникальными оптическими свойствами — у него большой коэффициент отражения при определенной длине волны. Структура этого минерала крайне устойчива, поэтому он не чувствителен к большинству бытовых химикатов, не боится растворителей и кислот.

Для того, чтобы создать на основе опала датчики влажности, ученые научились генерировать искусственные фотонные кристаллы, имеющие такую же структуру, как у природного минерала высокого качества.

Павел Чубаков, научный сотрудник Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН:

- Фотонные кристаллы, которые мы используем, имеют структуру, аналогичную природной: наносферы кварца уложены в гранецентрированную кубическую решетку. Нами разработана технология укладки пленок из этих сфер. В результате получается регулярная структура с хорошими оптическими качествами, состоящая из шариков, между которыми — пустота. Если добавить в нее раствор соли с тем же коэффициентом преломления, что и у самих шариков, то искусственный фотонный кристалл становится прозрачным.

Ученые наносят на фотонный кристалл химическое соединение, которое при определенном повышении влажности внешней среды становится раствором, причем эта граница достаточно резкая. Когда химическое соединение превращается в раствор, кристалл-основа становится прозрачным. Другим соединениям тоже соответствуют свои точки перехода. Поэтому если на кристалл нанести несколько химических соединений, он становится прозрачным при различных уровнях влажности. Для того чтобы не происходило смешивания соединений, кристалл делится на отдельные сегменты.

У опала настолько пористая структура, что он способен удерживать нанесенные на него химические соединения очень долго. Датчики из опала спокойно перенесли десятки циклов «намочить — высушить». Даже после того, как их поместили в воду на два месяца, они были чувствительны к влажности воздуха. Точность их показаний также не изменилась: нанесенные химические соединения всегда растворяются при одной и той же влажности внешней среды.

Среди дополнительных плюсов опаловых датчиков влажности — наглядность перехода в прозрачное состояние и энергонезависимость — им не нужны источники питания. Если использовать разные соли, то можно создавать датчики, ориентированные на самые различные нужные уровни влажности, в зависимости от поставленных задач.

Себестоимость производства инновационных датчиков невысока, поскольку его основа состоит из очень дешевого материала — шариков кварца, обычного стекла.

Предполагается, что инновационные датчики будут широко востребованы в пищевой и химической промышленности. Однако авторы проекта рассчитывают, что они найдут применение и в быту, поскольку позволят контролировать микроклимат в домах и квартирах.

Дарья Лапченко, врач-терапевт:

- В современном мире предотвратить заболевание значительно выгоднее, чем его лечить. Пересушенный воздух в помещении может стать причиной заболеваний органов дыхания, развития кожных болезней. Если влаги в воздухе слишком много, то развиваются патогенные виды грибков и плесени, которые, в свою очередь, провоцируют развитие аллергии, ревматизма и прочих малоприятных болезней. Поэтому многие новосибирцы уже поняли, что влажность воздуха в квартире необходимо контролировать. Профилактика всегда обходится дешевле лечения.

Справка

Значение относительной влажности в жилой комнате должно быть 40–60%, в крайнем случае это значение может колебаться от 30 до 70%. Если относительная влажность поднялась до отметки 80 и более процентов при температуре 20 °С, то для восстановления теплого баланса нужно повысить температуру в комнате до 22 °С.

Полина Виноградова

Источники:

1. smartnews.ru