Nelle città e negli stabilimenti di produzione su larga scala, una perdita d'acqua in una complicata rete di tubi può richiedere molto tempo e sforzi per rilevare, poiché i tecnici devono smontare molti pezzi per individuare il problema. L'American Water Works Association indica che ogni anno negli Stati Uniti si verificano quasi un quarto di milione di interruzioni della linea dell'acqua, che costano ai servizi idrici pubblici circa $ 2,8 miliardi all'anno.

Un team dell'Università di Washington vuole semplificare il processo per scoprire perdite dannose sviluppando carta "intelligente" in grado di rilevare la presenza di acqua. La carta, cucita con nanomateriali conduttivi, può essere impiegato come interruttore, accensione o spegnimento di una luce LED o di un sistema di allarme che segnala l'assenza o la presenza di acqua.

I ricercatori hanno descritto la loro scoperta in un articolo apparso nel numero di novembre del Journal of Materials Chemistry A .

"Il rilevamento dell'acqua è molto impegnativo a causa della natura polare dell'acqua, e ciò che viene utilizzato ora è molto costoso e non pratico da implementare, " ha detto l'autore principale Anthony Dichiara, un assistente professore UW di scienza e ingegneria delle risorse biologiche presso la School of Environment and Forest Sciences. "Questo ha portato alla ragione per perseguire questo lavoro."

Insieme a Dichiara, un team di studenti universitari UW nel programma Bioresource Science and Engineering ha incorporato con successo nanomateriali nella carta in grado di condurre elettricità e rilevare la presenza di acqua. A partire dalla polpa, hanno manipolato le fibre di legno e mescolate con cura in nanomateriali utilizzando un processo standard per la fabbricazione della carta, ma mai usato prima per fare carte sensoriali.

La scoperta che la carta era in grado di rilevare la presenza di acqua è avvenuta per caso fortuito. Le gocce d'acqua sono cadute sulla carta conduttiva creata dal team, provocando lo spegnimento della luce LED che indica la conduttività. Sebbene all'inizio pensassero di aver rovinato la carta, i ricercatori si sono resi conto di aver invece creato una carta sensibile all'acqua.

Quando l'acqua colpisce la carta, le sue cellule fibrose si gonfiano fino a tre volte la loro dimensione originale. Questa espansione sposta i nanomateriali conduttivi all'interno della carta, che a sua volta interrompe i collegamenti elettrici e provoca lo spegnimento della spia LED.

Questo processo è completamente reversibile, e mentre la carta si asciuga, la rete conduttiva si riforma in modo che la carta possa essere utilizzata più volte.

I ricercatori prevedono un'applicazione in cui un foglio di carta conduttiva con una batteria potrebbe essere posizionato attorno a un tubo o sotto una complessa rete di tubi intersecanti in un impianto di produzione. Se un tubo perde, la carta avvertirebbe la presenza dell'acqua, quindi inviare un segnale elettrico in modalità wireless a un centro di controllo centrale in modo che un tecnico possa individuare e riparare rapidamente la perdita.

Inoltre, la carta è così sensibile da poter rilevare anche tracce di acqua in miscele di vari liquidi. Questa capacità di distinguere l'acqua da altre molecole è particolarmente preziosa per le industrie del petrolio e dei biocarburanti, dove l'acqua è considerata un'impurità.

"Credo che per applicazioni su larga scala, questo è sicuramente fattibile, " Dichiara ha detto. "Il prezzo dei nanomateriali sta per scendere, e stiamo già utilizzando un processo di fabbricazione della carta consolidato. Basta aggiungere ciò che abbiamo sviluppato nel posto e nel momento giusto durante il processo".

I nanomateriali aggiunti alla carta sono stati progettati in modo tale da poter essere incorporati durante la fabbricazione della carta convenzionale senza dover modificare il processo. Questi materiali sono realizzati in carbonio estremamente conduttivo. Perché il carbonio si trova in tutti gli esseri viventi, quasi tutti i materiali naturali possono essere bruciati per produrre carbone, e quindi gli atomi di carbonio possono essere estratti per sintetizzare i materiali. Il team ha sperimentato la realizzazione di nanomateriali da bucce di banana, corteccia d'albero e persino feci di animali.

Hanno anche provato a creare nanomateriali da scarti di legno per dimostrare che l'intero processo di fabbricazione della carta può essere completato con materiali naturali.

"Ora abbiamo un processo sostenibile in cui tutto proviene da pasta di legno e carta, e possiamo ricavarne materiali conduttivi, " Dichiara Dichiara.

La carta, consistenza rigida e liscia, è un ricco colore nero a causa dei nanomateriali (carbonio dal carbone). I dischi da 8 pollici realizzati in laboratorio sono prototipi; il team spera di testare il processo su una macchina per la produzione di carta di dimensioni industriali, che richiederanno più nanomateriali e pasta di carta.