In steden en grootschalige fabrieken, een waterlek in een ingewikkeld netwerk van leidingen kan enorm veel tijd en moeite kosten om te detecteren, omdat technici veel onderdelen moeten demonteren om het probleem te lokaliseren. De American Water Works Association geeft aan dat er elk jaar bijna een kwart miljoen waterleidingbreuken plaatsvinden in de VS, kost openbare waterbedrijven ongeveer $ 2,8 miljard per jaar.

Een team van de Universiteit van Washington wil het proces voor het ontdekken van schadelijke lekken vereenvoudigen door 'slim' papier te ontwikkelen dat de aanwezigheid van water kan detecteren. De krant, doorspekt met geleidende nanomaterialen, kan worden gebruikt als een schakelaar, het in- of uitschakelen van een LED-lamp of een alarmsysteem dat de aan- of afwezigheid van water aangeeft.

De onderzoekers beschreven hun ontdekking in een artikel dat verscheen in het novembernummer van de Journal of Materials Chemistry A .

"Het waarnemen van water is een hele uitdaging vanwege de polaire aard van water, en wat nu wordt gebruikt, is erg duur en niet praktisch om te implementeren, " zei hoofdauteur Anthony Dichiara, een UW-assistent-professor bioresource-wetenschap en -techniek aan de School of Environment and Forest Sciences. "Dat leidde tot de reden om dit werk voort te zetten."

Samen met Dichiara, een team van UW-studenten in het Bioresource Science and Engineering-programma heeft met succes nanomaterialen in papier ingebed die elektriciteit kunnen geleiden en de aanwezigheid van water kunnen voelen. beginnend met pulp, ze manipuleerden de houtvezels en mengden ze zorgvuldig in nanomaterialen met behulp van een standaardproces voor papierfabricage, maar nooit eerder gebruikt om sensing papers te maken.

De ontdekking dat het papier de aanwezigheid van water kon detecteren, kwam door een toevallig ongeluk. Er vielen waterdruppels op het geleidende papier dat het team had gemaakt, waardoor het LED-lampje dat de geleidbaarheid aangeeft uitgaat. Hoewel ze eerst dachten dat ze het papier hadden verpest, de onderzoekers realiseerden zich dat ze in plaats daarvan een papier hadden gemaakt dat gevoelig was voor water.

Als water het papier raakt, de vezelige cellen zwellen op tot drie keer hun oorspronkelijke grootte. Die uitzetting verdringt geleidende nanomaterialen in het papier, die op zijn beurt de elektrische verbindingen verstoort en ervoor zorgt dat het LED-indicatielampje uitgaat.

Dit proces is volledig omkeerbaar, en als het papier droogt, het geleidende netwerk vormt zich opnieuw, zodat het papier meerdere keren kan worden gebruikt.

De onderzoekers stellen zich een toepassing voor waarbij een vel geleidend papier met een batterij rond een pijp of onder een complex netwerk van elkaar kruisende pijpen in een fabriek kan worden geplaatst. Als een leiding lekt, het papier zou de aanwezigheid van water voelen, stuur vervolgens draadloos een elektrisch signaal naar een centraal controlecentrum zodat een technicus het lek snel kan lokaliseren en repareren.

In aanvulling, het papier is zo gevoelig dat het ook sporen van water kan detecteren in mengsels van verschillende vloeistoffen. Dit vermogen om water te onderscheiden van andere moleculen is bijzonder waardevol voor de aardolie- en biobrandstofindustrieën, waar water als een onzuiverheid wordt beschouwd.

"Ik geloof dat voor grootschalige toepassingen, dit is zeker te doen, " zei Dichiara. "De prijs voor nanomaterialen gaat dalen, en we gebruiken al een gevestigd proces voor het maken van papier. Je voegt gewoon toe wat we hebben ontwikkeld op de juiste plaats en tijd in het proces."

De nanomaterialen die aan het papier zijn toegevoegd, zijn zo ontworpen dat ze tijdens de conventionele papierproductie kunnen worden verwerkt zonder dat het proces hoeft te worden aangepast. Deze materialen zijn gemaakt van extreem geleidend koolstof. Omdat koolstof in alle levende wezens wordt aangetroffen, bijna elk natuurlijk materiaal kan worden verbrand om houtskool te maken, en vervolgens kunnen koolstofatomen worden geëxtraheerd om de materialen te synthetiseren. Het team heeft geëxperimenteerd met het maken van nanomaterialen uit bananenschillen, boomschors en zelfs uitwerpselen van dieren.

Ze probeerden ook nanomaterialen te maken van houtsnippers om aan te tonen dat het hele papierfabricageproces kan worden voltooid met goedkope, natuurlijke materialen.

"Nu hebben we een duurzaam proces waarbij alles van pulp en papier is, en we kunnen er geleidende materialen van maken, ' zei Dichiara.

De krant, stijf en glad van structuur, is een rijke zwarte kleur vanwege de nanomaterialen (koolstof uit houtskool). De 8-inch schijven die in het lab zijn gemaakt, zijn prototypes; het team hoopt het proces vervolgens te testen op een papiermachine van industrieel formaat, waarvoor meer nanomaterialen en papierpulp nodig zijn.