氢气是所有已知分子中最小和最轻的，其无色无味的性质使其容易泄漏。此外，当在密闭空间内浓度高于 4% 时，它会产生着火或爆炸的危险。为了使氢气成为未来能源行业的主要参与者，必须通过超灵敏气体检测技术确保天然气生产、储存和运输等整个气体处理过程的安全问题。然而，传统的使用电信号的气体泄漏传感器容易产生电火花，这可能导致泄漏的氢气爆炸。此外，主流的基于电极的接触式传感器根据器件的接触状态影响有效信号稳定性，信号保真度较弱。因此，希望通过非接触式模式实现稳定、非爆炸性的检测，以消除任何可能的危险，一直渴望开发一种不会导致灾难情况的安全装置。
韩国科学技术研究院宣布，由传感器系统研究中心和KU-KIST研究生院的Minah Seo博士和高丽大学健康科学学院生物医学工程学院的Yong-Sang Ryu教授领导的团队开发了一种非接触式太赫兹光传感器。在室温常压下，可检测真实环境中小至0.25%的氢气泄漏，通过光学检测方法，这是世界顶级的检测限。
光谱学是一种非接触式观察方法，用于测量分析样品光学常数值的变化。在这种方法中，通过测量反应物质遇到氢气时光学性质的变化，以非侵入性的方式观察反应物质的变化。太赫兹电磁波具有非常宽的频带，这使得它们对气体分子的自然振动很敏感，并且可以在光谱学中用于解析各种气体、DNA 和氨基酸等分子的微小独特信息和差异。然而，由于与微量氢气相互作用的可能性较低，并且缺乏放大太赫兹波信号的技术，因此很难在实践中使用。
研究团队专注于氢渗透到钯金属中的特性，并设计了一种研究策略，通过光和物质的相互作用来解决这个问题。研究人员开发了一种气体检测传感平台，该平台可以使用能够放大特定波段电磁波信号的超材料，灵敏地测量由痕量气体引起的太赫兹光信号的变化。该团队首先开发了一种太赫兹超材料，可以放大气体敏感太赫兹波段的信号，然后将钯均匀地应用于超材料上，以创造一个极窄的14纳米空间，以最大限度地提高太赫兹信号的灵敏度。钯不仅在吸附氢氧的催化反应中在表面产生水分子，而且在储氢中也起着双功能作用。为了模拟真实世界的环境，然后将氢气和氧气注入开发的传感室中，并暴露于太赫兹传感平台。结果表明，通过显著的光信号变化，暴露的氢气具有很大的责任感，并且以实时的方式对其进行了科学分析。超薄钯的使用与超灵敏的光学带宽相结合，提供了协同性能，能够将低于1%的氢气泄漏检测到实时检测水平。
在平台设计过程中，不仅考虑了检测性能的优越性，还考虑了检测平台的可重用性。一般来说，钯等金属氢化物是不可逆的，因此难以重复使用，这意味着它们在相变后无法恢复到原来的状态，但KIST-高丽大学的研究团队通过特殊的处理技术确保了样品的可重复使用性。他们还成功开发了一种技术，通过光信号在纳米尺度上实时跟踪氢解吸的机制。
“现有的光传感器在常温、常压和常湿环境中的可靠性非常有限，但这是一项很有前途的技术，它不仅可以通过显着提高灵敏度来检测和筛选气体，还可以检测和筛选极少量的各种生化物质，”该研究的主要作者Minah Seo博士说。“它有望用于开发一个系统，该系统可以通过移动、现场和实时检查来立即应对各种有害因素、气体和疾病。”
“除了太赫兹测量技术外，它还开辟了目视检查金属表面发生的各种气体吸附和解吸过程以及分子水平化学反应机制的可能性，”该研究的主要作者、高丽大学的Ryu Yong-sang教授说。
