Smart papir kan lede elektricitet, opdage vand

I byer og store produktionsanlæg, en vandlækage i et kompliceret netværk af rør kan tage enorm tid og kræfter at opdage, da teknikere skal skille mange stykker ad for at lokalisere problemet. American Water Works Association angiver, at næsten en kvart million vandledningsbrud forekommer hvert år i USA, koster offentlige vandværker omkring 2,8 milliarder dollars årligt.

Et team fra University of Washington ønsker at forenkle processen til at opdage skadelige lækager ved at udvikle "smart" papir, der kan mærke tilstedeværelsen af ​​vand. Papiret, fyldt med ledende nanomaterialer, kan bruges som omskifter, tænde eller slukke for et LED-lys eller et alarmsystem, der indikerer fravær eller tilstedeværelse af vand.

Forskerne beskrev deres opdagelse i et papir, der vises i novemberudgaven af Journal of Materials Chemistry A .

"Vanddetektion er meget udfordrende at udføre på grund af vandets polære natur, og det, der bruges nu, er meget dyrt og ikke praktisk at implementere, " sagde hovedforfatter Anthony Dichiara, en UW-assistentprofessor i bioressourcevidenskab og teknik på School of Environment and Forest Sciences. "Det førte til grunden til at fortsætte dette arbejde."

Sammen med Dichiara, et team af UW bachelorstuderende i Bioresource Science and Engineering-programmet har med succes indlejret nanomaterialer i papir, der kan lede elektricitet og fornemme tilstedeværelsen af ​​vand. Startende med papirmasse, de manipulerede træfibrene og blandede omhyggeligt i nanomaterialer ved hjælp af en standardproces til papirfremstilling, men aldrig før brugt til at lave sansepapirer.

Opdagelsen af, at papiret kunne registrere tilstedeværelsen af ​​vand, kom ved en tilfældig ulykke. Vanddråber faldt på det ledende papir, som holdet havde lavet, hvilket får LED-lyset, der indikerer ledningsevne, til at slukke. Selvom de først troede, at de havde ødelagt avisen, forskerne indså, at de i stedet havde lavet et papir, der var følsomt over for vand.

Når vandet rammer papiret, dets fibrøse celler svulmer op til op til tre gange deres oprindelige størrelse. Den udvidelse fortrænger ledende nanomaterialer inde i papiret, hvilket igen afbryder de elektriske forbindelser og får LED -indikatoren til at slukke.

Denne proces er fuldt reversibel, og som papiret tørrer, det ledende netværk omdannes, så papiret kan bruges flere gange.

Forskerne forestiller sig en applikation, hvor et ark ledende papir med et batteri kan placeres rundt om et rør eller under et komplekst netværk af krydsende rør i en produktionsfabrik. Hvis et rør lækker, papiret ville fornemme tilstedeværelsen af ​​vand, send derefter et elektrisk signal trådløst til et centralt kontrolcenter, så en tekniker hurtigt kunne lokalisere og reparere lækagen.

Ud over, papiret er så følsomt, at det også kan registrere spormængder af vand i blandinger af forskellige væsker. Denne evne til at skelne vand fra andre molekyler er særlig værdifuld for olie- og biobrændstofindustrien, hvor vand betragtes som en urenhed.

"Jeg tror, ​​at for store applikationer, det er bestemt muligt, " sagde Dichiara. "Prisen for nanomaterialer vil falde, og vi bruger allerede en etableret papirfremstillingsproces. Du tilføjer bare det, vi har udviklet på det rigtige sted og tidspunkt i processen."

Nanomaterialerne tilsat papiret blev konstrueret på en sådan måde, at de kan inkorporeres under konventionel papirfremstilling uden at skulle ændre processen. Disse materialer er lavet af ekstremt ledende kulstof. Fordi kulstof findes i alt levende, næsten ethvert naturligt materiale kan brændes for at lave trækul, og så kan kulstofatomer ekstraheres for at syntetisere materialerne. Holdet har eksperimenteret med at lave nanomaterialer af bananskræller, træbark og endda dyreafføring.

De forsøgte også at lave nanomaterialer af træskrot for at vise, at hele papirfremstillingsprocessen kan afsluttes med billige, naturlige materialer.

"Nu har vi en bæredygtig proces, hvor alt er fra papirmasse og papir, og vi kan lave ledende materialer af dem, " sagde Dichiara.

Papiret, stiv og glat i konsistensen, er en rig sort farve på grund af nanomaterialerne (kulstof fra trækul). De 8-tommers diske lavet i laboratoriet er prototyper; holdet håber at teste processen på en papirfremstillingsmaskine i industriel størrelse, hvilket vil kræve flere nanomaterialer og papirmasse.