Sensorer lavet af frossen røg kan registrere giftig formaldehyd i hjem og kontorer

Forskere har udviklet en sensor lavet af "frossen røg", der bruger kunstig intelligens-teknikker til at detektere formaldehyd i realtid ved koncentrationer så lave som otte dele pr. milliard, langt ud over følsomheden af ​​de fleste indendørs luftkvalitetssensorer.

Forskerne fra University of Cambridge udviklede sensorer lavet af meget porøse materialer kendt som aerogeler. Ved præcist at konstruere formen af ​​hullerne i aerogelerne var sensorerne i stand til at detektere fingeraftrykket af formaldehyd, en almindelig indendørs luftforurening, ved stuetemperatur.

De proof-of-concept-sensorer, som kræver minimal strøm, kan tilpasses til at detektere en lang række farlige gasser og kan også miniaturiseres til bærbare og sundhedsmæssige applikationer. Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Science Advances .

Flygtige organiske forbindelser (VOC'er) er en vigtig kilde til indendørs luftforurening, hvilket forårsager rindende øjne, svie i øjne og svælg og åndedrætsbesvær ved forhøjede niveauer. Høje koncentrationer kan udløse angreb hos personer med astma, og langvarig eksponering kan forårsage visse kræftformer.

Formaldehyd er en almindelig VOC og udsendes af husholdningsartikler, herunder pressede træprodukter (såsom MDF), tapeter og maling og nogle syntetiske stoffer. For det meste er niveauerne af formaldehyd, der udsendes af disse genstande, lave, men niveauerne kan opbygges over tid, især i garager, hvor maling og andre formaldehydemitterende produkter er mere tilbøjelige til at blive opbevaret.

Ifølge en rapport fra 2019 fra kampagnegruppen Clean Air Day udviste en femtedel af husstandene i Storbritannien bemærkelsesværdige koncentrationer af formaldehyd, hvor 13 % af boligerne oversteg den anbefalede grænse fastsat af Verdenssundhedsorganisationen (WHO).

"VOC'er såsom formaldehyd kan føre til alvorlige sundhedsproblemer med langvarig eksponering selv ved lave koncentrationer, men nuværende sensorer har ikke følsomheden eller selektiviteten til at skelne mellem VOC'er, der har forskellige indvirkninger på sundheden," sagde professor Tawfique Hasan fra Cambridge Graphene Center, der ledede forskningen.

"Vi ønskede at udvikle en sensor, der er lille og ikke bruger meget strøm, men som selektivt kan detektere formaldehyd i lave koncentrationer," sagde Zhuo Chen, avisens første forfatter.

Forskerne baserede deres sensorer på aerogeler:ultralette materialer, der nogle gange omtales som "flydende røg", da de er mere end 99% luft efter volumen. Den åbne struktur af aerogels gør det muligt for gasser nemt at bevæge sig ind og ud. Ved præcist at konstruere formen eller morfologien af ​​hullerne kan aerogelerne fungere som yderst effektive sensorer.

I samarbejde med kolleger ved Warwick University optimerede Cambridge-forskerne sammensætningen og strukturen af ​​aerogelerne for at øge deres følsomhed over for formaldehyd, hvilket gjorde dem til filamenter omkring tre gange bredden af ​​et menneskehår.

Forskerne 3D-printede linjer af en pasta lavet af grafen, en todimensionel form for kulstof, og frysetørrede derefter grafenpastaen for at danne hullerne i den endelige aerogelstruktur. Aerogelerne indeholder også små halvledere kendt som kvanteprikker.

De sensorer, de udviklede, var i stand til at detektere formaldehyd i koncentrationer så lave som otte dele pr. milliard, hvilket er 0,4 procent af det niveau, der anses for sikkert på britiske arbejdspladser. Sensorerne arbejder også ved stuetemperatur og bruger meget lav strøm.

"Traditionelle gassensorer skal varmes op, men på grund af den måde, vi har konstrueret materialerne på, fungerer vores sensorer utroligt godt ved stuetemperatur, så de bruger mellem 10 og 100 gange mindre strøm end andre sensorer," sagde Chen.

For at forbedre selektiviteten indarbejdede forskerne derefter maskinlæringsalgoritmer i sensorerne. Algoritmerne blev trænet til at detektere 'fingeraftrykket' af forskellige gasser, så sensoren var i stand til at skelne fingeraftrykket af formaldehyd fra andre VOC'er.

"Eksisterende VOC-detektorer er stumpe instrumenter - du får kun ét tal for den samlede koncentration i luften," sagde Hasan. "Ved at bygge en sensor, der er i stand til at detektere specifikke VOC'er ved meget lave koncentrationer i realtid, kan den give bolig- og virksomhedsejere et mere præcist billede af luftkvaliteten og eventuelle potentielle sundhedsrisici."

Forskerne siger, at den samme teknik kunne bruges til at udvikle sensorer til at detektere andre VOC'er. I teorien kunne en enhed på størrelse med en standard kuliltedetektor i husstanden inkorporere flere forskellige sensorer i den, hvilket giver realtidsinformation om en række forskellige farlige gasser.

Holdet hos Warwick er ved at udvikle en billig multisensorplatform, der vil inkorporere disse nye aerogelmaterialer og, kombineret med AI-algoritmer, detektere forskellige VOC'er.

"Ved at bruge meget porøse materialer som føleelementet åbner vi helt nye måder at detektere farlige materialer i vores miljø på," sagde Chen.

Flere oplysninger: Zhuo Chen et al., Realtids-, støj- og driftfast formaldehydregistrering ved stuetemperatur med aerogelfilamenter, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk6856. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6856

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af University of Cambridge