Scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) ha sviluppato un dispositivo in grado di identificare istantaneamente un'ampia gamma di gas e sostanze chimiche presenti nell'aria.

Il nuovo prototipo di dispositivo è portatile e adatto per un rapido dispiegamento da parte delle agenzie per identificare i rischi aerei, come da minuscole molecole di gas come l'anidride solforosa. Può anche identificare molecole di composti più grandi come il benzene, notoriamente dannoso per la salute umana.

Può fornire un monitoraggio in tempo reale della qualità dell'aria, ad esempio durante focolai di foschia, e assistere nella rilevazione delle fughe di gas e dell'inquinamento atmosferico industriale.

Sviluppato da un gruppo di ricerca guidato dal Professore Associato Ling Xing Yi presso la Scuola di Scienze Fisiche e Matematiche, la nuova tecnologia è stata riportata il mese scorso sulla rivista scientifica ACS Nano .

Gli attuali metodi per identificare i gas nell'aria utilizzano una tecnica di laboratorio chiamata gascromatografia-spettrometria di massa (GC-MS), che è affidabile ma richiede una raccolta di campioni noiosa e richiede da poche ore a pochi giorni per ottenere risultati dai campioni di aria.

Gli scenari di emergenza richiedono un'analisi rapida e continua della potenziale contaminazione dell'aria, come a seguito di un disastro naturale, fuoriuscita di sostanze chimiche o scarico illegale di rifiuti tossici, in modo che i soccorritori possano intraprendere le azioni appropriate.

Come funziona il nuovo dispositivo

Il nuovo dispositivo utilizza un piccolo cerotto realizzato con uno speciale nanomateriale poroso e metallico per intrappolare prima le molecole di gas. Quando un laser viene puntato su di esso da pochi metri di distanza, la luce interagisce con le molecole di gas, provocando l'emissione di luce di energia inferiore. Quando analizzato, fornisce una lettura spettroscopica nel formato di un grafico.

La lettura spettroscopica agisce come una "impronta digitale chimica" corrispondente a varie sostanze chimiche presenti sul cerotto. L'intero processo richiede circa 10 secondi per essere completato.

Queste impronte chimiche del campione vengono confrontate con una libreria digitale di impronte digitali per determinare rapidamente quali sostanze chimiche sono state rilevate.

Conosciuta come spettroscopia Raman, questa è una tecnica consolidata da tempo per identificare le sostanze chimiche. Tipicamente, è stato utilizzato solo su campioni solidi e liquidi, poiché le sostanze chimiche gassose sono troppo diluite per essere rilevate dal laser e dal rilevatore.

Per superare questo limite, Assoc Prof Ling e il suo dottorato di ricerca. lo studente Phan Quang Gia Chuong ha sviluppato una speciale nanostruttura realizzata con un materiale sintetico altamente poroso noto come struttura metallo-organica, che assorbe attivamente e intrappola le molecole dall'aria in una "gabbia".

Questa nanostruttura contiene anche nanoparticelle metalliche, che aumentano l'intensità della luce che circonda le molecole. Il risultato è un miglioramento di milioni di volte nei segnali della spettroscopia Raman, che consente l'identificazione delle molecole intrappolate.

Assoc Prof Ling ha affermato che la genesi dell'invenzione è stata innescata da un incidente a Singapore, dove ci sono state segnalazioni di un forte odore di gas su alcune parti dell'isola nel 2017. La causa è stata determinata solo pochi giorni dopo, ed è stato rintracciato in composti organici volatili rilasciati da fabbriche al di fuori di Singapore.

Insieme a suo marito, Dottor Phang In-Yee, un capo progetto e scienziato presso l'Istituto di ricerca e ingegneria dei materiali (IMRE), hanno concettualizzato l'idea di identificare i gas istantaneamente a distanza.

"Il nostro dispositivo può funzionare da remoto, quindi il funzionamento della telecamera laser e l'analisi dei prodotti chimici possono essere eseguiti in sicurezza a distanza. Ciò è particolarmente utile quando non è noto se i gas sono pericolosi per la salute umana, " spiega Assoc Prof Ling, Capo della Divisione di Chimica e Chimica Biologica presso NTU.

Il laser è stato testato in esperimenti per funzionare fino a 10 metri di distanza e può essere progettato per raggiungere ulteriori distanze. Un altro metodo possibile consiste nell'utilizzare il chip per catturare i gas, che viene successivamente analizzato con un laser.

Risultato ultra sensibile e preciso

Negli esperimenti, il team ha dimostrato che il dispositivo è in grado di identificare molecole sospese nell'aria come gli idrocarburi poliaromatici (PAH), tra cui naftalene e derivati ​​del benzene, una famiglia di inquinanti atmosferici industriali incolori noti per essere altamente cancerogeni.

È in grado di rilevare gli IPA a concentrazioni di parti per miliardo (ppb) nell'atmosfera e di eseguire un monitoraggio continuo della concentrazione dei diversi tipi di gas come l'anidride carbonica (CO ₂ ) nell'atmosfera, che potrebbe essere un'applicazione utile in molti contesti industriali.

Il laser utilizzato nel dispositivo ha un'intensità energetica di 50 miliwatt, più di sette volte più debole rispetto ad altre applicazioni della spettroscopia Raman. Ciò rende il sistema più sicuro da usare e più efficiente dal punto di vista energetico.

Attraverso NTUItive, La società di innovazione e impresa di NTU, il team ha depositato un brevetto e sta ora commercializzando la tecnologia da utilizzare nel monitoraggio dell'inquinamento, risposta ai disastri chimici, così come altre applicazioni industriali.