I ricercatori hanno sviluppato un sensore costituito da "fumo congelato" che utilizza tecniche di intelligenza artificiale per rilevare la formaldeide in tempo reale a concentrazioni fino a otto parti per miliardo, ben oltre la sensibilità della maggior parte dei sensori di qualità dell'aria interna.
I ricercatori dell’Università di Cambridge hanno sviluppato sensori realizzati con materiali altamente porosi noti come aerogel. Progettando con precisione la forma dei fori negli aerogel, i sensori sono stati in grado di rilevare le impronte digitali della formaldeide, un comune inquinante dell'aria interna, a temperatura ambiente.
I sensori proof-of-concept, che richiedono una potenza minima, potrebbero essere adattati per rilevare un’ampia gamma di gas pericolosi e potrebbero anche essere miniaturizzati per applicazioni indossabili e sanitarie. I risultati sono riportati nella rivista Science Advances .
I composti organici volatili (COV) sono una delle principali fonti di inquinamento dell'aria interna, causando lacrimazione, bruciore agli occhi e alla gola e difficoltà di respirazione a livelli elevati. Alte concentrazioni possono scatenare attacchi nelle persone affette da asma e un'esposizione prolungata può causare alcuni tumori.
La formaldeide è un COV comune ed è emessa da articoli domestici, compresi prodotti in legno pressato (come MDF), carte da parati, vernici e alcuni tessuti sintetici. Nella maggior parte dei casi, i livelli di formaldeide emessi da questi articoli sono bassi, ma i livelli possono accumularsi nel tempo, soprattutto nei garage dove è più probabile che vengano conservate vernici e altri prodotti che emettono formaldeide.
Secondo un rapporto del 2019 del gruppo promotore della campagna Clean Air Day, un quinto delle famiglie nel Regno Unito presentava notevoli concentrazioni di formaldeide, con il 13% delle residenze che superavano il limite raccomandato stabilito dall'Organizzazione mondiale della sanità (OMS).
"I COV come la formaldeide possono portare a seri problemi di salute con un'esposizione prolungata anche a basse concentrazioni, ma i sensori attuali non hanno la sensibilità o la selettività per distinguere tra COV che hanno impatti diversi sulla salute", ha affermato il professor Tawfique Hasan del Cambridge Graphene. Center, che ha condotto la ricerca.
"Volevamo sviluppare un sensore piccolo e che non consumi molta energia, ma che possa rilevare selettivamente la formaldeide a basse concentrazioni", ha affermato Zhuo Chen, il primo autore dell'articolo.
I ricercatori hanno basato i loro sensori sugli aerogel:materiali ultraleggeri a volte definiti “fumo liquido”, poiché sono costituiti per oltre il 99% da aria in volume. La struttura aperta degli aerogel consente ai gas di entrare e uscire facilmente. Progettando con precisione la forma, o morfologia, dei fori, gli aerogel possono agire come sensori altamente efficaci.
Lavorando con i colleghi dell'Università di Warwick, i ricercatori di Cambridge hanno ottimizzato la composizione e la struttura degli aerogel per aumentare la loro sensibilità alla formaldeide, trasformandoli in filamenti circa tre volte più larghi di un capello umano.
I ricercatori hanno stampato in 3D le linee di una pasta a base di grafene, una forma bidimensionale di carbonio, e poi hanno liofilizzato la pasta di grafene per formare i fori nella struttura finale dell’aerogel. Gli aerogel incorporano anche minuscoli semiconduttori noti come punti quantici.
I sensori sviluppati sono stati in grado di rilevare la formaldeide a concentrazioni fino a otto parti per miliardo, ovvero lo 0,4% del livello ritenuto sicuro nei luoghi di lavoro del Regno Unito. I sensori funzionano anche a temperatura ambiente, consumando pochissima energia.
"I sensori di gas tradizionali devono essere riscaldati, ma grazie al modo in cui abbiamo progettato i materiali, i nostri sensori funzionano incredibilmente bene a temperatura ambiente, quindi utilizzano da 10 a 100 volte meno energia rispetto ad altri sensori", ha affermato Chen.
Per migliorare la selettività, i ricercatori hanno poi incorporato nei sensori algoritmi di apprendimento automatico. Gli algoritmi sono stati addestrati per rilevare l'"impronta digitale" di diversi gas, in modo che il sensore fosse in grado di distinguere l'impronta digitale della formaldeide da altri COV.
"I rilevatori di COV esistenti sono strumenti contundenti:ottieni solo un numero per la concentrazione complessiva nell'aria", ha detto Hasan. "Costruendo un sensore in grado di rilevare specifici COV a concentrazioni molto basse in tempo reale, è possibile fornire ai proprietari di case e aziende un quadro più accurato della qualità dell'aria e di eventuali rischi per la salute."
I ricercatori affermano che la stessa tecnica potrebbe essere utilizzata per sviluppare sensori in grado di rilevare altri COV. In teoria, un dispositivo delle dimensioni di un rilevatore di monossido di carbonio standard per uso domestico potrebbe incorporare al suo interno più sensori diversi, fornendo informazioni in tempo reale su una gamma di diversi gas pericolosi.
Il team di Warwick sta sviluppando una piattaforma multisensore a basso costo che incorporerà questi nuovi materiali aerogel e, insieme ad algoritmi AI, rileverà diversi COV.
"Utilizzando materiali altamente porosi come elemento di rilevamento, stiamo aprendo la strada a modi completamente nuovi di rilevare materiali pericolosi nel nostro ambiente", ha affermato Chen.
Ulteriori informazioni: Zhuo Chen et al, Rilevamento della formaldeide resiliente al rumore e alla deriva in tempo reale a temperatura ambiente con filamenti di aerogel, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk6856. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6856
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dall'Università di Cambridge
