I ricercatori dell'AMOLF hanno utilizzato le proprietà speciali dei semiconduttori di perovskite per sviluppare un semplice test di spruzzo per dimostrare la presenza di piombo. La perovskite è un materiale adatto, ad esempio, all'uso nei LED e nelle celle solari. Una superficie contenente piombo brilla di un verde brillante quando viene spruzzata con il test. Questo test è 1.000 volte più sensibile dei test esistenti e i ricercatori non hanno trovato risultati falsi positivi o falsi negativi. Lo studio è stato pubblicato il 27 novembre sulla rivista Environmental Science &Technology .

"Abbiamo preso il controllo della tecnologia dei semiconduttori di perovskite e l'abbiamo utilizzata in un test di piombo ampiamente dispiegabile. Nessuno in questa disciplina ci aveva mai pensato", afferma Lukas Helmbrecht, ricercatore presso il gruppo Self-Organizing Matter guidato da Wim Noorduin presso AMOLF. "Siamo molto soddisfatti di questi risultati", afferma Noorduin. "È un progetto davvero interessante ed è piuttosto raro che la ricerca fondamentale abbia un impatto letterale sul mondo intero con un'applicazione."

La scienza a casa

Un paio di anni fa, il gruppo ha sviluppato un processo in due fasi per trasformare una struttura di calcio, come lo scheletro di un riccio di mare, in un semiconduttore. Il carbonato di calcio nello scheletro reagisce quindi e si trasforma in perovskite di piombo, un materiale semiconduttore che emette luce sotto una lampada UV.

Mentre era bloccato a casa durante la pandemia di COVID-19, Noorduin ha pensato ad altre possibili applicazioni di questo materiale. Allo stesso tempo, ha sentito parlare dei notevoli rischi per la salute derivanti dall'esposizione al piombo, soprattutto per i bambini piccoli che potrebbero subire danni cerebrali. Un semplice test per dimostrare la presenza di piombo potrebbe aiutare a ridurre tale esposizione e forse le proprietà di emissione di luce della perovskite di piombo potrebbero aiutare in questo.

Noorduin portò a casa con sé una soluzione che avrebbe potuto formare una perovskite se fosse entrata in contatto con il piombo, e la spruzzò su una grondaia. Questo emise immediatamente un colore verde brillante. Con sua sorpresa, lo stesso è accaduto con la vernice sul telaio della finestra adiacente, anch'essa illuminata. Entrambe le superfici contenevano una forma di piombo. La luce verde è luminescenza e rivela la formazione del semiconduttore di piombo perovskite. "Ha funzionato in modo così sorprendentemente semplice che abbiamo iniziato a pensare allo sviluppo di un test per rilevare il piombo in un'ampia gamma di superfici."

Si accende solo il cavo

Helmbrecht ha accettato la sfida e ha scoperto che una soluzione di bromuro di metil ammonio funziona meglio. Non appena questa soluzione entra in contatto con un composto di piombo, forma immediatamente una perovskite di piombo, che si illumina di un verde brillante sotto la luce UV. Helmbrecht ha provato una vasta gamma di superfici, dai tubi di piombo e vernice ai sali di piombo, vetro e plastica come PVC e cavi elettrici. Si illuminavano tutti di un verde brillante come prova della presenza di piombo. Se al posto del bromuro viene utilizzata una soluzione di ioduro o cloruro, la luce emessa sarà rispettivamente rossa o blu.

Inoltre, Helmbrecht ha testato più di cinquanta materiali che non contenevano piombo ma contenevano elementi simili, come stagno, alluminio e rame. Nessuno di questi si è acceso. Ciò indica che il test è altamente chemoselettivo. Il test rivela concentrazioni di piombo di un nanogrammo per mm2, mentre la maggior parte dei test attuali hanno una precisione non superiore a pochi microgrammi per mm2. Il nuovo test è quindi 1000 volte più sensibile.

È interessante notare che non importa quale composto di piombo il materiale contenga piombo metallico o uno dei sali di piombo. Noorduin spiega:"Sembra che tutti i composti vengano convertiti nella cosiddetta valenza 2+ del piombo. Non siamo sorpresi che la reazione chimica funzioni solo con il piombo. Lo sappiamo dal lavoro sulle celle solari e sui LED di perovskite. La reazione limitata è uno svantaggio per le celle solari, ma per il nostro test è un vantaggio perché rende il test altamente selettivo. Siamo rimasti, tuttavia, stupiti che il test funzioni per così tanti materiali diversi contenenti piombo.

Il modo esatto in cui procede la reazione chimica è ancora oggetto di studio, afferma Noorduin. "Pensiamo che si tratti di un processo a più fasi in cui il piombo prima si dissolve un po', eventualmente subisce una reazione redox e poi forma un sale di piombo, che viene successivamente convertito in perovskite. Tuttavia, la reazione è così veloce che non siamo ma in grado di rilevare i passaggi."

Le conoscenze derivanti da questo studio, che, dopo tutto, è iniziato con la ricerca sui semiconduttori di perovskite, potrebbero, a loro volta, stimolare lo stesso tipo di ricerca nello sviluppo di migliori celle solari o LED a base di perovskite, ad esempio.

Benefici per la salute in tutto il mondo

Uno spin-off di questa ricerca è la società Lumetallix che Helmbrecht e Noorduin stanno fondando insieme a Jeroen van den Bosch con la recente aggiunta di Xander Terpstra (CCO). Insieme ad AMOLF detengono congiuntamente un brevetto internazionale sul processo e lo sviluppo di un kit di test universale. Questo è conveniente e facile da usare per tutti coloro che vogliono sapere se il piombo è presente nell'ambiente di vita. I kit di test possono essere ordinati tramite il sito web. I ricercatori stanno anche lavorando con ONG di tutto il mondo per diffondere i kit tra la popolazione locale in India e in Costa d’Avorio, ad esempio. Ciò consentirebbe alle persone di adottare autonomamente misure per la rimozione del piombo e quindi di prevenire problemi di salute.

"Il fatto che una superficie contenente piombo si illumini di un verde brillante dopo la spruzzatura presenta molti vantaggi rispetto al test esistente che mostra solo un cambiamento di colore", spiega Helmbrecht. "Prima di tutto, il test esistente non funziona per le persone daltoniche. In secondo luogo, il nostro test emette luce se viene trovato piombo, il che significa che puoi osservare senza sforzo il risultato anche in luoghi bui come le cantine. In terzo luogo, il fatto che qualcosa si accende è magico e allarmante. Speriamo quindi di trovare più persone disposte a fare il test in modo da poter aumentare la consapevolezza sulla presenza di piombo, anche qui nei Paesi Bassi."

Ulteriori informazioni: Lukas Helmbrecht et al, Rilevamento diretto di piombo ambientale mediante formazione di perovskite fotoluminescente con sensibilità ai nanogrammi, Scienza e tecnologia ambientale (2023). DOI:10.1021/acs.est.3c06058

Informazioni sul giornale: Scienze e tecnologie ambientali

Fornito da AMOLF