Il monitoraggio della qualità dell'acqua attualmente avviene principalmente presso le prese di approvvigionamento idrico o gli impianti di trattamento delle acque, piuttosto che lungo le linee di distribuzione dell'acqua o nel punto di utilizzo. Questo è inadeguato perché possono verificarsi cambiamenti negativi nella qualità dell'acqua tra la fonte d'acqua e il rubinetto. È essenziale monitorare questa risorsa naturale fondamentale per i vari contaminanti, come ioni di metalli pesanti tossici, all'interno dei sistemi di distribuzione e trattamento dell'acqua.

Sono necessarie tecnologie di rilevamento accurate e accessibili per garantire un controllo continuo della qualità dell'acqua e capacità di allerta precoce per evitare catastrofi di sicurezza pubblica come l'attuale crisi idrica di Flint nel Michigan.

Durante il 64° Simposio ed Esposizione Internazionale dell'AVS, che si terrà dal 29 ottobre al novembre 3, 2017, a Tampa, Florida, Junhong Chen, illustre professore di ingegneria meccanica, scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Wisconsin-Milwaukee, presenterà il suo lavoro sull'invenzione di una piattaforma di rilevamento basata sul grafene in tempo reale, rilevamento a basso costo di vari contaminanti dell'acqua. Il nuovo sensore rileva i metalli pesanti, batteri, nitrati e fosfati.

"La nostra tecnologia risponde a un bisogno insoddisfatto di tempo reale, monitoraggio a basso costo dei contaminanti critici nell'acqua potabile, " ha detto Chen. "L'acqua svolge un ruolo importante nel mondo economico, ma solo il 3% dell'acqua disponibile è potabile, e con l'aumento della domanda, la necessità di acqua potabile sicura è in aumento".

Grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo a nido d'ape 2-D, è un nanomateriale promettente grazie alla sua struttura unica e alle proprietà elettriche.

"Il grafene intrinseco è un semiconduttore a gap zero che ha una mobilità degli elettroni notevolmente elevata (100 volte maggiore di quella del silicio), che lo rende attraente per i sensibili, sensori chimici e biologici ad alta velocità grazie alla sua elevata sensibilità alle perturbazioni elettroniche, " Egli ha detto.

Il sensore funziona posizionando nanofogli a base di grafene che sono semiconduttori tra uno spazio tra gli elettrodi. La conduttività elettrica del materiale di grafene cambia con il legame di sostanze, chiamati analiti, alla sua superficie e i loro costituenti chimici sono identificati e misurati.

"L'entità della variazione di conduttività può essere correlata alla concentrazione di analita, e la tecnologia prevede anche la funzionalizzazione della superficie del materiale di grafene con sonde specifiche che possono mirare a un analita specifico, " disse Chen.

Il sensore si basa su un dispositivo a transistor ad effetto di campo (FET) con ossido di grafene ridotto (rGO) come canale di rilevamento. "Il principio di funzionamento del sensore è che la conduttività dell'rGO (solitamente misurata in resistenza) cambia con il legame di sostanze chimiche come i metalli pesanti alle sonde ancorate alla superficie dell'rGO, " ha detto. "Quindi la presenza delle sostanze chimiche può essere determinata misurando il cambiamento di resistenza del sensore".

Distribuendo questi sensori in tempo reale per monitorare i contaminanti dell'acqua nei sistemi di distribuzione dell'acqua, secondo Chen, potrebbero fornire un allarme tempestivo di contaminazione chimica e biologica nell'acqua, migliorare la sicurezza dell'acqua e i benefici per la salute pubblica.

"La tecnologia della piattaforma può anche essere ulteriormente progettata per rilevare vari analiti per alimenti e bevande, così come per applicazioni biomediche, " disse Chen.

Chen ha lanciato una startup, NanoAffix Science LLC, commercializzare la sua tecnologia di rilevamento della qualità dell'acqua. Con il finanziamento della National Science Foundation e in collaborazione con diverse società idriche, hanno già sviluppato un prototipo di dispositivo portatile per una rapida, rilevamento a basso costo di ioni piombo nell'acqua potabile. "Stiamo perfezionando il prototipo per renderlo un prodotto commerciale nel prossimo futuro, " disse Chen.