Onderzoekers hebben een sensor ontwikkeld die is gemaakt van 'bevroren rook' en die kunstmatige intelligentietechnieken gebruikt om formaldehyde in realtime te detecteren in concentraties van slechts acht delen per miljard, ver boven de gevoeligheid van de meeste sensoren voor de luchtkwaliteit binnenshuis.

De onderzoekers van de Universiteit van Cambridge ontwikkelden sensoren gemaakt van zeer poreuze materialen, bekend als aerogels. Door de vorm van de gaten in de aerogels nauwkeurig te ontwerpen, konden de sensoren de vingerafdruk van formaldehyde, een veel voorkomende luchtverontreinigende stof binnenshuis, bij kamertemperatuur detecteren.

De proof-of-concept-sensoren, die minimaal vermogen vereisen, kunnen worden aangepast om een ​​breed scala aan gevaarlijke gassen te detecteren, en kunnen ook worden geminiaturiseerd voor draagbare toepassingen en toepassingen in de gezondheidszorg. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Science Advances .

Vluchtige organische stoffen (VOC's) zijn een belangrijke bron van luchtvervuiling binnenshuis en veroorzaken tranende ogen, brandende ogen en keel en ademhalingsmoeilijkheden bij verhoogde niveaus. Hoge concentraties kunnen aanvallen veroorzaken bij mensen met astma, en langdurige blootstelling kan bepaalde vormen van kanker veroorzaken.

Formaldehyde is een veel voorkomende VOC en wordt uitgestoten door huishoudelijke artikelen, waaronder geperste houtproducten (zoals MDF), behangpapier en verf, en sommige synthetische stoffen. Voor het grootste deel zijn de niveaus van formaldehyde die door deze artikelen worden uitgestoten laag, maar de niveaus kunnen zich in de loop van de tijd ophopen, vooral in garages waar de kans groter is dat verf en andere formaldehyde-uitstotende producten worden opgeslagen.

Volgens een rapport uit 2019 van de campagnegroep Clean Air Day vertoonde een vijfde van de huishoudens in Groot-Brittannië opmerkelijke concentraties formaldehyde, waarbij 13% van de woningen de aanbevolen limiet van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) overschreed.

"VOC's zoals formaldehyde kunnen bij langdurige blootstelling leiden tot ernstige gezondheidsproblemen, zelfs bij lage concentraties, maar de huidige sensoren hebben niet de gevoeligheid of selectiviteit om onderscheid te maken tussen VOS die verschillende gevolgen hebben voor de gezondheid", zegt professor Tawfique Hasan van Cambridge Graphene. Center, die het onderzoek leidde.

"We wilden een sensor ontwikkelen die klein is en niet veel stroom verbruikt, maar selectief formaldehyde bij lage concentraties kan detecteren", zegt Zhuo Chen, de eerste auteur van het artikel.

De onderzoekers baseerden hun sensoren op aerogels:ultralichte materialen die ook wel 'vloeibare rook' worden genoemd, omdat ze voor meer dan 99% uit lucht bestaan. Door de open structuur van aerogels kunnen gassen gemakkelijk in en uit bewegen. Door de vorm of morfologie van de gaten nauwkeurig te ontwerpen, kunnen de aerogels fungeren als zeer effectieve sensoren.

In samenwerking met collega's van Warwick University hebben de onderzoekers uit Cambridge de samenstelling en structuur van de aerogels geoptimaliseerd om hun gevoeligheid voor formaldehyde te vergroten, waardoor er filamenten van zijn ontstaan ​​die ongeveer drie keer zo breed zijn als een mensenhaar.

De onderzoekers hebben lijnen van een pasta gemaakt van grafeen, een tweedimensionale vorm van koolstof, in 3D geprint en vervolgens de grafeenpasta gevriesdroogd om de gaten in de uiteindelijke aerogelstructuur te vormen. De aerogels bevatten ook kleine halfgeleiders die bekend staan ​​als kwantumdots.

De door hen ontwikkelde sensoren konden formaldehyde detecteren in concentraties van slechts acht delen per miljard, wat 0,4 procent is van het niveau dat op Britse werkplekken als veilig wordt beschouwd. De sensoren werken ook bij kamertemperatuur en verbruiken zeer weinig stroom.

"Traditionele gassensoren moeten worden opgewarmd, maar vanwege de manier waarop we de materialen hebben ontwikkeld, werken onze sensoren ongelooflijk goed bij kamertemperatuur, zodat ze tussen de 10 en 100 keer minder stroom gebruiken dan andere sensoren", aldus Chen.

Om de selectiviteit te verbeteren, integreerden de onderzoekers vervolgens machine learning-algoritmen in de sensoren. De algoritmen waren getraind om de ‘vingerafdruk’ van verschillende gassen te detecteren, zodat de sensor de vingerafdruk van formaldehyde kon onderscheiden van andere VOC’s.

"Bestaande VOC-detectoren zijn botte instrumenten:je krijgt maar één getal voor de totale concentratie in de lucht", zegt Hasan. "Door een sensor te bouwen die specifieke VOC's in zeer lage concentraties in realtime kan detecteren, kan deze eigenaren van woningen en bedrijven een nauwkeuriger beeld geven van de luchtkwaliteit en eventuele gezondheidsrisico's."

De onderzoekers zeggen dat dezelfde techniek kan worden gebruikt om sensoren te ontwikkelen om andere VOS te detecteren. In theorie zou een apparaat ter grootte van een standaard koolmonoxidedetector voor huishoudelijk gebruik meerdere verschillende sensoren kunnen bevatten, die realtime informatie verschaffen over een reeks verschillende gevaarlijke gassen.

Het team van Warwick ontwikkelt een goedkoop multisensorplatform dat deze nieuwe aerogelmaterialen zal bevatten en, in combinatie met AI-algoritmen, verschillende VOC's zal detecteren.

"Door zeer poreuze materialen als sensorelement te gebruiken, openen we geheel nieuwe manieren om gevaarlijke materialen in onze omgeving te detecteren", aldus Chen.

Meer informatie: Zhuo Chen et al., Realtime, geluid- en driftbestendige formaldehyde-detectie bij kamertemperatuur met aerogelfilamenten, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk6856. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6856

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Universiteit van Cambridge