Progettazione di cristalli fononici che utilizzano risonatori aperti come sensori di gas nocivi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9346 (2023) Citare questo articolo

Dettagli sulle metriche

Questo articolo indaga la capacità di utilizzare un cristallo fononico unidimensionale finito composto da risonatori aperti ramificati con un difetto orizzontale per rilevare la concentrazione di gas nocivi come la CO2. Questa ricerca indaga l'impatto dei risonatori periodici aperti, del condotto difettoso al centro della struttura e dei parametri geometrici come le sezioni trasversali e la lunghezza della guida d'onda primaria e dei risonatori sulle prestazioni del modello. Per quanto ne sappiamo, questa ricerca è unica nel campo del rilevamento. Inoltre, queste simulazioni mostrano che il cristallo fononico unidimensionale finito studiato composto da risonatori aperti ramificati con un difetto orizzontale è un sensore promettente.

Negli ultimi anni la produzione massiccia di sostanze inquinanti nell’aria ha minacciato la salute umana, l’ambiente e gli ecosistemi biologici globali1,2. Pertanto, il rilevamento di gas nocivi per la salute umana, come CO2, NO2, NH3, ecc., ha suscitato l'interesse delle persone a proteggere l'uomo e l'ambiente3,4,5,6. Di conseguenza, sono stati condotti numerosi studi ottici sul rilevamento di gas tossici utilizzando materiali nanostrutturati bidimensionali, come materiali porosi5,7 e grafene8,9. Inoltre, i sensori di gas comuni10,11,12,13 sono fluorescenti, chimici, elettrochimici, a cristalli fotonici e sensibili alla massa.

I cristalli fononici (PnC) sono materiali artificiali periodici14,15,16. I PnC hanno suscitato un notevole interesse in varie applicazioni chimiche e di biorilevamento. I PnC possono confinare le onde acustiche o elastiche creando bande di frequenza di arresto o bandgap fononici (PnBG) per propagarsi attraverso di esse17,18. Le proprietà acustiche dei materiali, come viscosità, densità, velocità del suono, moduli elastici, ecc., possono essere sondate propagando l'onda acustica all'interno19. I sensori PnC unidimensionali (1D-PnC) sono rilevatori risonanti. Il principale concetto operativo dei sensori 1D-PnC è la diffusione multipla di Bragg delle onde acustiche su ciascuna interfaccia tra due mezzi con diversa impedenza acustica per produrre un'onda stazionaria. La frequenza del PnBG dipende dalla velocità acustica dell'onda viaggiante e dalle dimensioni geometriche della struttura. La maggior parte dei sensori 1D-PnC si basa sulla rottura della periodicità al centro della struttura, risultando in un picco risonante all'interno del PnBG. Aggiungendo questo difetto al centro della struttura si confina una frequenza specifica chiamata frequenza di risonanza.

Nei PnC tradizionali si considera la continuità del flusso e della pressione lungo la direzione principale di propagazione. Recentemente, gli elementi localmente risonanti hanno attirato l'attenzione nel campo delle strutture periodiche. Tuttavia è possibile aggiungere elementi laterali o risonatori che dipendono dalla variazione di pressione o dalla stabilità del flusso in altri percorsi. Questi elementi laterali possono essere condotti chiusi o aperti. Nel 2008, El Boudouti et al.20 hanno proposto una struttura costituita da un tubo sottile con condotti laterali. La presenza di tubi laterali provoca la formazione di bande di stop nello spettro di trasmittanza. Nel 2020, Antraoui et al. progettò una struttura periodica composta da un condotto principale con risonatori aperti. Ma manca ancora l’utilizzo di queste strutture con risonatori laterali nelle applicazioni di rilevamento del gas.

Recentemente, i sensori di gas che utilizzano PnC hanno attirato l'attenzione per i loro vantaggi. Ad esempio, i sensori di gas che utilizzano PnC non richiedono un tempo di ripristino. Inoltre, poiché il PnC non contiene alcun componente elettronico, i sensori di gas che utilizzano i PnC possono fornire buone misurazioni in ambienti complessi come in un ambiente esplosivo21. Inoltre, il basso costo e la facilità di fabbricazione dei sensori PnC rappresentano buoni vantaggi22.

Per quanto ne sappiamo, questa ricerca è unica nel campo del rilevamento dei gas. L'utilizzo di risonatori aperti ramificati ha migliorato le prestazioni del sensore. Inoltre, queste simulazioni mostrano che il cristallo fononico unidimensionale finito studiato composto da risonatori aperti ramificati con un difetto orizzontale è un sensore promettente. Inoltre, il sensore PnC proposto con risonatori aperti ramificati può essere facilmente fabbricato utilizzando materiali convenzionali a basso costo.