Un groupe de scientifiques de l'Université fédérale de Sibérie (SFU, Krasnoïarsk, Russie) et l'Institut Nikolaev de chimie inorganique (NIIC, Novossibirsk, Russie) ont combiné les propriétés utiles des phtalocyanines métalliques et des membranes de palladium afin de créer des couches actives dans des détecteurs d'hydrogène. Cette opération augmente considérablement la sensibilité des capteurs. L'étude est publiée dans les revues Colorants et pigments et Journal international de l'énergie hydrogène .

Les capteurs à haute sensibilité pour la détection des gaz sont très importants pour l'environnement, car ils permettent aux scientifiques de faire une évaluation qualitative et quantitative de la teneur en divers gaz dans l'air (par exemple, monoxyde de carbone ou ammoniac dangereux). Les données obtenues permettent de lutter contre la pollution. D'autre part, là, les capteurs jouent un rôle important en médecine. Il existe une maladie appelée malabsorption :les personnes diagnostiquées avec elle exhalent plus d'hydrogène. Si nous fabriquons des capteurs à haute sensibilité capables de détecter une petite augmentation de la concentration d'hydrogène, cette maladie peut être diagnostiquée avec succès.

Les détecteurs discutés dans le document ont une structure à trois couches. En bas se trouve un substrat (qui est aussi une électrode conductrice) sur lequel est appliqué un film de phtalocyanines (composés hétérocycliques de couleur bleu foncé), et enfin, une couche de palladium sur ce film. Il n'est pas facile de réaliser un tel capteur. Pour faire ça, il est nécessaire d'obtenir un film mince de phtalocyanines, puis déposer une couche de palladium sur le dessus. Pour obtenir ce métal, des précurseurs sont utilisés (composés organiques contenant des atomes de palladium). Après chauffage, ils se décomposent, les fragments organiques s'évaporent, et les atomes de métal forment une couche avec la structure et l'épaisseur requises.

Le capteur fonctionne comme ceci :l'hydrogène pénètre facilement le palladium, et, agissant à la surface du film de phtalocyanine, modifie sa conductivité. "Les films minces de phtalocyanine sont eux-mêmes des semi-conducteurs. Et c'est à partir du changement de conductivité que nous pouvons juger si l'hydrogène "s'accroche" ou non, et à quelle concentration il est contenu dans l'air, " dit Pavel Krasnov, doctorat en physique et en mathématiques, chercheur principal à l'Institut de nanotechnologie, Spectroscopie et chimie quantique de SFU.

Les auteurs ont obtenu et étudié la structure cristalline de films minces de phtalocyanines de palladium, ainsi que la manière dont sa structure est altérée par les atomes de fluor (agissant comme substituants). La phtalocyanine est une molécule plate avec des atomes d'hydrogène sur ses bords. Précédemment, les auteurs de l'article ont montré que l'introduction d'atomes de fluor dans la structure de la phtalocyanine augmente la réponse sensorielle (indicateur de sensibilité) de ces composés, car ils interagissent avec les molécules de gaz. Le fluor est un élément plus électronégatif que l'hydrogène, à la suite de quoi il est capable de "tirer" plus d'électrons d'autres atomes de phtalocyanine, y compris l'atome de métal situé au centre. Une augmentation de la charge positive d'un atome métallique favorise une liaison plus forte des molécules de gaz, puisqu'une telle liaison résulte principalement du mécanisme donneur-accepteur. Une molécule de gaz est un donneur d'électrons (donne des électrons), et un atome de métal est leur accepteur (les attache).

Cette hypothèse a été confirmée par des scientifiques de SFU à l'aide de calculs de chimie quantique, et leurs collègues du NIIC grâce à la réalisation directe de travaux expérimentaux qui ont finalement permis le prototypage de capteurs.

Maintenant, les scientifiques prévoient de poursuivre le projet. Ils souhaitent tester la possibilité d'utiliser différents substrats pour "planter" des phtalocyanines sur des structures carbonées, c'est-à-dire du graphène ou des nanotubes de carbone. Un tel remplacement donnera une réponse plus forte et rendra le capteur plus sensible à l'hydrogène. Le deuxième axe de recherche prometteur est l'amincissement de la couche de palladium (afin d'améliorer également la réponse du capteur).