AMOLF-onderzoekers hebben de bijzondere eigenschappen van perovskiethalfgeleiders gebruikt om een ​​eenvoudige spuittest te ontwikkelen om de aanwezigheid van lood aan te tonen. Perovskiet is een materiaal dat geschikt is voor gebruik in bijvoorbeeld leds en zonnecellen. Een loodhoudend oppervlak glanst heldergroen als het met de test wordt besproeid. Deze test is 1.000 keer gevoeliger dan bestaande tests en de onderzoekers vonden geen vals-positieve of vals-negatieve resultaten. Het onderzoek werd op 27 november gepubliceerd in het tijdschrift Environmental Science &Technology .

‘We hebben de technologie van perovskiethalfgeleiders gekaapt en gebruikt in een breed inzetbare leadtest. Niemand in dit vakgebied had daar ooit aan gedacht’, zegt Lukas Helmbrecht, onderzoeker bij de groep Self-Organizing Matter onder leiding van Wim Noorduin bij AMOLF. “Wij zijn erg blij met deze resultaten”, zegt Noorduin. "Het is een heel gaaf project en het komt zelden voor dat fundamenteel onderzoek met een toepassing letterlijk de hele wereld beïnvloedt."

Wetenschap thuis

Een paar jaar geleden ontwikkelde de groep een tweestapsproces om een ​​calciumstructuur, zoals het skelet van een zee-egel, om te zetten in een halfgeleider. Het calciumcarbonaat in het skelet reageert vervolgens en verandert in een loodperovskiet, een halfgeleidend materiaal dat licht uitzendt onder een UV-lamp.

Terwijl hij tijdens de COVID-19-pandemie thuis zat, dacht Noorduin na over andere mogelijke toepassingen van dit materiaal. Tegelijkertijd hoorde hij over de aanzienlijke gezondheidsrisico's die gepaard gaan met blootstelling aan lood, vooral voor kleine kinderen die hierdoor hersenbeschadiging kunnen oplopen. Een eenvoudige test om de aanwezigheid van lood aan te tonen zou deze blootstelling kunnen helpen verminderen en misschien kunnen de lichtgevende eigenschappen van de lood-perovskiet daarbij helpen.

Noorduin nam een ​​oplossing mee naar huis die bij contact met lood een perovskiet kon vormen en sproeide deze op een goot. Deze straalde onmiddellijk een heldergroene kleur uit. Tot zijn verbazing gebeurde hetzelfde met de verf op het aangrenzende raamkozijn, die ook oplichtte. Beide oppervlakken bevatten een vorm van lood. Het groene licht is luminescentie en onthult de vorming van de lood-perovskiet-halfgeleider. "Dit werkte zo verbazingwekkend eenvoudig dat we begonnen na te denken over de ontwikkeling van een test om lood op een breed scala aan oppervlakken te detecteren."

Alleen lood licht op

Helmbrecht ging de uitdaging aan en ontdekte dat een methylammoniumbromide-oplossing het beste werkt. Zodra deze oplossing in contact komt met een loodverbinding, vormt deze direct een loodperovskiet, die onder UV-licht heldergroen oplicht. Helmbrecht probeerde een scala aan ondergronden, van loden buizen en verf tot loodzouten, glas en kunststoffen zoals PVC en elektriciteitsdraad. Ze lichtten allemaal felgroen op als bewijs van de aanwezigheid van lood. Als in plaats van bromide een jodide- of chloride-oplossing wordt gebruikt, is het uitgestraalde licht respectievelijk rood of blauw.

Daarnaast testte Helmbrecht ruim vijftig materialen die geen lood bevatten maar wel vergelijkbare elementen, zoals tin, aluminium en koper. Geen van deze lichtte op. Dit geeft aan dat de test zeer chemoselectief is. De test brengt loodconcentraties aan het licht van één nanogram per mm2, terwijl de meeste huidige tests een nauwkeurigheid hebben van niet meer dan enkele microgrammen per mm2. De nieuwe test is daarom 1000 keer gevoeliger.

Interessant genoeg maakt het niet uit welke loodverbinding het materiaal metallisch lood of een van de loodzouten bevat. Noorduin legt uit:‘Het lijkt erop dat alle verbindingen worden omgezet in zogenaamde 2+ valentie van lood. Het verbaast ons niet dat de chemische reactie alleen werkt met lood. Dat weten we uit werk aan perovskietzonnecellen en LED’s. een nadeel voor zonnecellen, maar voor onze test is het een voordeel omdat het de test zeer selectief maakt. We waren echter verbaasd dat de test voor zoveel verschillende loodhoudende materialen werkt.

Hoe de chemische reactie precies verloopt, wordt nog onderzocht, zegt Noorduin. “Wij denken dat het een meerstappenproces is waarbij lood eerst een beetje oplost, mogelijk een redoxreactie ondergaat en daarna een loodzout vormt, dat vervolgens wordt omgezet in perovskiet. De reactie gaat echter zo snel dat we dat niet doen. maar toch in staat om de stappen te detecteren."

De kennis uit dit onderzoek, dat immers begon met onderzoek naar perovskiethalfgeleiders, zou op zijn beurt een impuls kunnen geven aan hetzelfde soort onderzoek naar de ontwikkeling van betere zonnecellen of LED’s uit bijvoorbeeld perovskiet.

Wereldwijde gezondheidsvoordelen

Een spin-off van dit onderzoek is het bedrijf Lumetallix dat Helmbrecht en Noorduin samen met Jeroen van den Bosch opzetten met de recente toevoeging van Xander Terpstra (CCO). Samen met AMOLF hebben ze gezamenlijk een internationaal patent op het proces en de ontwikkeling van een universele testkit. Dit is zowel betaalbaar als eenvoudig te gebruiken voor iedereen die wil weten of lood in de leefomgeving aanwezig is. De testkits zijn te bestellen via de website. De onderzoekers werken ook samen met NGO's over de hele wereld om de kits te verspreiden onder de lokale bevolking in bijvoorbeeld India en Ivoorkust. Hierdoor zouden mensen zelf maatregelen kunnen nemen voor loodverwijdering en zo gezondheidsproblemen kunnen voorkomen.

“Dat een loodhoudend oppervlak na het besproeien heldergroen oplicht, heeft veel voordelen ten opzichte van de bestaande test die alleen een kleurverandering laat zien”, legt Helmbrecht uit. “Ten eerste werkt de bestaande test niet voor mensen die kleurenblind zijn. Ten tweede zendt onze test licht uit als er lood wordt gevonden, waardoor je de uitslag ook op donkere plekken zoals kelders moeiteloos kunt waarnemen. Ten derde het feit dat er iets oplicht is zowel magisch als alarmerend. We hopen daarom meer mensen te vinden die de test willen doen, zodat we het bewustzijn over de aanwezigheid van lood kunnen vergroten, ook hier in Nederland."

Meer informatie: Lukas Helmbrecht et al., Directe detectie van lood in het milieu door fotoluminescerende perovskietvorming met nanogramgevoeligheid, Milieuwetenschappen en -technologie (2023). DOI:10.1021/acs.est.3c06058

Journaalinformatie: Milieuwetenschappen en -technologie

Aangeboden door AMOLF