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Los sensores de fibra óptica para el control rápido y preciso de la humedad han despertado un gran interés en muchas industrias debido a sus excepcionales propiedades. Sin embargo, hacer coincidir la respuesta de humedad, la selectividad, la interferencia de temperatura y la histéresis húmeda de estos sensores de fibra óptica con los sistemas reales sigue siendo un tema importante.
![Diseño prometedor para la medición de humedad relativa de alto rendimiento](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39651_16626658600806331.jpg)
Estudio: Sensores de fibra óptica integrados con nanopelícula de óxido de grafeno/polielectrolito para mediciones de humedad de respuesta rápida y alta sensibilidad. Crédito: PRO Stock Professional/Shutterstock.com
Un estudio reciente publicado en la revista ACS Applied Materials & Interfaces aborda este problema al proponer nuevos sensores de fibra óptica para la medición rápida de la humedad. Estos sensores de fibra óptica se fabrican depositando una capa multifuncional de nanocompuesto de óxido de grafeno (GO)/polielectrolito sobre una rejilla de fibra inclinada (ex-TFG).
Sensores de fibra óptica para medir la humedad relativa
Muchas industrias, incluidas la gestión ambiental, el almacenamiento de medicamentos, la fabricación de precisión y la agricultura sostenible, requieren mediciones precisas de humedad relativa (HR). Como componente crítico de los medidores de HR, los sensores de humedad relativa han atraído un gran interés en la academia y la industria.
Recientemente se han investigado varios detectores de HR basados en enfoques eléctricos, ópticos, acústicos y de infrarrojo cercano. Los sensores de fibra óptica han sido reconocidos por sus importantes ventajas, como B. Interacción antielectromagnética, resistencia química, función de larga distancia y tamaño compacto, ampliamente utilizado para la detección de humedad relativa.
Estas propiedades excepcionales de los sensores de fibra óptica son ideales para construir un marco de monitoreo de HR descentralizado en condiciones atmosféricas adversas. Por lo tanto, muchas aplicaciones del mundo real necesitan urgentemente sensores de fibra óptica con un amplio rango de HR, alta sensibilidad, respuesta rápida, histéresis húmeda mínima e interferencia de temperatura.
Sin embargo, siempre existe una compensación ineludible entre estos criterios de desempeño, lo que resulta en una disminución de la efectividad de los sensores de HR.
Mejora del rendimiento de los sensores de fibra óptica
La estructura de la fibra tiene un impacto significativo en la efectividad de los sensores de fibra óptica. El uso de fibras convencionales, como hetero-núcleo, grabadas y con pulido lateral, genera pérdidas ópticas significativas, lo que afecta la resiliencia, la facilidad de uso y la reproducibilidad de los sensores.
La rejilla de fibra demasiado inclinada (ex-TFG) es útil para muchas técnicas de detección novedosas debido a su fácil interacción con el medio circundante y su notable capacidad de respuesta a las condiciones externas en comparación con las fibras ópticas microestructuradas.
Debido a su correlación única del modo de revestimiento y a la indiferencia de la temperatura, la rejilla de fibra inclinada en exceso (ex-TFG) también se puede usar convenientemente para sistemas de detección multifuncionales, como sensores de tensión, polarímetros y biológicos, y es ideal para usar en la medición de la HR. sensores
Óxido de grafeno: el futuro de los sensores de fibra óptica
El recubrimiento higroscópico afecta fuertemente las propiedades de deshidratación, la adhesión superficial a las fibras, la morfología y las propiedades ópticas de los sensores de fibra óptica.
El óxido de grafeno (GO) ha atraído la atención de los investigadores como una sustancia sensible a la humedad debido a su alta relación área superficial/volumen y su buena propiedad de absorción en una amplia gama de longitudes de onda. Más importante aún, las capas de óxido de grafeno tienen abundantes grupos de protección de oxígeno, lo que permite una rápida interacción entre las gotas de agua y las capas de óxido de grafeno.
Sin embargo, debido a la unión molecular débil, es fácil deslizarse fuera de la interfaz de fibra, por lo que no se puede garantizar la durabilidad y la vida útil de los sensores de fibra óptica. Los polímeros basados en polielectrolitos, como el ácido poliacrílico (PAA), se han utilizado recientemente en combinación con el óxido de grafeno para superar esta limitación y lograr una alta hidrofilia y una rápida absorción y disociación.
Aspectos destacados del estudio actual
En este estudio, los investigadores plantearon la hipótesis de que la integración de ex-TFG y una hoja de nanocompuesto de óxido de grafeno (GO)/ácido poliacrílico (PAA) sensible a la humedad podría dar como resultado el crecimiento de un sensor de fibra óptica excelente y equilibrado para la medición de la humedad. También ofrece una oportunidad especial para explorar e ilustrar la eficacia de las sustancias sensibles a la humedad.
Los investigadores produjeron sensores de fibra óptica con alta sensibilidad, respuesta rápida, baja histéresis e interferencia de temperatura basados en nanocompuestos de óxido de grafeno (GO)/ácido poliacrílico.
Desarrollos importantes
La interfaz entre el compuesto de óxido de grafeno (GO)/ácido poliacrílico y el modo de resonancia de recubrimiento del ex-TFG se ha mejorado para medir la humedad sin afectar la fibra. PAA se utilizó para diseñar vías higroscópicas y proporcionar adhesión a la base de fibra. El óxido de grafeno se ha incorporado al PAA para aumentar aún más la naturaleza hidrófila de la capa de humedad.
Los sensores de fibra óptica construidos en este trabajo tenían una alta sensibilidad de 138,7 pm/%HR y un tiempo de respuesta de menos de 2 segundos. Además, mostraron una excelente estabilidad en pruebas continuas a largo plazo.
Los sensores de fibra óptica propuestos con capas de óxido de grafeno multifuncionales también ofrecen otras ventajas, incluida la facilidad de fabricación y la operación de bajo costo. Estos sensores se pueden usar para construir un marco particularmente útil para rastrear la humedad del aliento humano, lo que los hace ideales para la detección rápida de enfermedades respiratorias.
Relación
Xia, B. et al. (2022). Sensores de fibra óptica integrados con nanopelícula de óxido de grafeno/polielectrolito para una medición de humedad altamente sensible y de respuesta rápida. Interfaces y materiales aplicados de ACS. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c08228
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