Forskere kaprer solcelleteknologi for at udvikle en simpel spraytest for bly

AMOLF-forskere har brugt de særlige egenskaber ved perovskit-halvledere til at udvikle en simpel spraytest for at påvise tilstedeværelsen af ​​bly. Perovskite er et materiale velegnet til brug i f.eks. LED'er og solceller. En blyholdig overflade skinner lysegrønt, når den sprøjtes med testen. Denne test er 1.000 gange mere følsom end eksisterende tests, og forskerne fandt ingen falsk positive eller falsk negative resultater. Undersøgelsen blev offentliggjort den 27. november i tidsskriftet Environmental Science &Technology .

"Vi har kapret teknologien fra perovskit-halvledere og brugt den i en udbredt ledningstest. Ingen i denne disciplin havde nogensinde tænkt på det," siger Lukas Helmbrecht, forsker ved gruppen Self-Organizing Matter ledet af Wim Noorduin ved AMOLF. "Vi er meget tilfredse med disse resultater," siger Noorduin. "Det er et rigtig fedt projekt, og det er ret sjældent, at grundforskning bogstaveligt talt påvirker hele verden med en ansøgning."

Videnskab derhjemme

For et par år siden udviklede gruppen en to-trins proces til at omdanne en calciumstruktur, såsom skelettet af et søpindsvin, til en halvleder. Calciumkarbonatet i skelettet reagerer derefter og ændres til en blyperovskit, et halvledende materiale, der udsender lys under en UV-lampe.

Mens han sad fast hjemme under COVID-19-pandemien, tænkte Noorduin på andre mulige anvendelser af dette materiale. Samtidig hørte han om de betydelige sundhedsrisici, der er forbundet med eksponering for bly, især for små børn, som kan få hjerneskade som følge af dette. En simpel test til at påvise tilstedeværelsen af ​​bly kunne hjælpe med at reducere en sådan eksponering, og måske kunne blyperovskittens lysemitterende egenskaber hjælpe med det.

Noorduin tog en løsning med sig hjem, der kunne danne en perovskit, hvis den kom i kontakt med bly, og denne sprøjtede han på en tagrende. Dette udsendte straks en lys grøn farve. Til hans overraskelse skete det samme med malingen på den tilstødende vinduesramme, som også lyste op. Begge overflader indeholdt en form for bly. Det grønne lys er luminescens og afslører dannelsen af ​​blyperovskit-halvlederen. "Dette fungerede så utrolig nemt, at vi begyndte at overveje at udvikle en test til at detektere bly på en lang række overflader."

Kun bly lyser op

Helmbrecht tog udfordringen op og opdagede, at en methylammoniumbromidopløsning fungerer bedst. Så snart denne opløsning kommer i kontakt med en blyforbindelse, danner den straks en blyperovskit, som lyser lysegrønt under UV-lys. Helmbrecht prøvede en række overflader, fra blyrør og maling til blysalte, glas og plastik såsom PVC og elektriske ledninger. De lyste alle lysegrønt som bevis på tilstedeværelsen af ​​bly. Hvis der anvendes en iodid- eller kloridopløsning i stedet for bromid, er lyset, der udsendes, henholdsvis rødt eller blåt.

Derudover testede Helmbrecht mere end halvtreds materialer, der ikke indeholdt bly, men som indeholdt lignende elementer, såsom tin, aluminium og kobber. Ingen af ​​disse lyste op. Dette indikerer, at testen er meget kemoselektiv. Testen afslører blykoncentrationer på et nanogram pr. mm2, hvorimod de fleste nuværende tests har en nøjagtighed på højst et par mikrogram pr. mm2. Den nye test er derfor 1000 gange mere følsom.

Interessant nok er det lige meget, hvilken blyforbindelse materialet indeholder metallisk bly eller et af blysaltene. Noorduin forklarer, "Det ser ud til, at alle forbindelser omdannes til såkaldt 2+ valens af bly. Vi er ikke overraskede over, at den kemiske reaktion kun virker med bly. Det ved vi fra arbejde med perovskit solceller og lysdioder. Den begrænsede reaktion er en ulempe for solceller, men for vores test er det en fordel, fordi det gør testen meget selektiv. Vi var dog forbløffede over, at testen fungerer for så mange forskellige blyholdige materialer.

Præcis hvordan den kemiske reaktion forløber bliver stadig undersøgt, siger Noorduin. "Vi tror, ​​at det er en flertrinsproces, hvor bly først opløses lidt, muligvis gennemgår en redoxreaktion og bagefter danner et blysalt, som efterfølgende omdannes til perovskit. Men reaktionen er så hurtig, at vi ikke er stadig i stand til at registrere trinene."

Viden fra denne undersøgelse, der trods alt startede med forskning i perovskit-halvledere, kunne til gengæld sætte skub i den samme form for forskning i udvikling af bedre solceller eller lysdioder fra for eksempel perovskit.

Verdensomspændende sundhedsfordele

En spin-off af denne forskning er virksomheden Lumetallix, som Helmbrecht og Noorduin etablerer sammen med Jeroen van den Bosch med den nylige tilføjelse af Xander Terpstra (CCO). Med AMOLF har de i fællesskab et internationalt patent på processen og udviklingen af ​​et universelt testkit. Dette er både overkommeligt og nemt at bruge for alle, der ønsker at vide, om bly er til stede i boligmiljøet. Testsættene kan bestilles via hjemmesiden. Forskerne arbejder også sammen med ngo'er over hele verden for at sprede kittene blandt lokalbefolkningen i for eksempel Indien og Elfenbenskysten. Dette ville give folk mulighed for selv at træffe foranstaltninger til blyfjernelse og dermed forebygge helbredsproblemer.

"Det faktum, at en blyholdig overflade lyser grønt efter sprøjtning, har mange fordele i forhold til den eksisterende test, der kun viser et farveskift," forklarer Helmbrecht. "For det første virker den eksisterende test ikke for folk, der er farveblinde. For det andet udsender vores test lys, hvis der findes bly, hvilket betyder, at man også ubesværet kan observere resultatet på mørke steder som f.eks. kældre. For det tredje, at noget lyser op er både magisk og alarmerende Vi håber derfor at finde flere, der er villige til at udføre testen, så vi kan øge bevidstheden om tilstedeværelsen af ​​bly, også her i Holland."

Flere oplysninger: Lukas Helmbrecht et al., Direct Environmental Lead Detection by Photoluminescent Perovskite Formation with Nanogram Sensitivity, Environmental Science &Technology (2023). DOI:10.1021/acs.est.3c06058

Journaloplysninger: Miljøvidenskab og -teknologi

Leveret af AMOLF