Tilpasning af solenergiteknologi til at detektere kemiske kampmidler og pesticider

I en farverig løsning på et farligt problem, Australske videnskabsmænd tilpasser en komponent fra banebrydende solceller til at designe en hurtig, lysbaseret detektionssystem for dødelige toksiner.

Mens brug af kemiske kampmidler som svovlsennep - bedre kendt som sennepsgas - er forbudt internationalt, vi er afhængige af andre strengt kontrollerede kemikalier til landbruget, industrien og i hele vores dagligdag, inklusive desinfektionsmidler som methyliodid, som bruges til at bekæmpe insekter og svampe. Forkerte mængder eller forkert brug af disse desinfektionsmidler kan være skadelige for mennesker og nedbryde ozonlaget.

Fordi det er usynligt og ikke lugter, det er svært at sige, om der er farlige mængder methyliodid til stede, og indtil nu var den bedste måde at teste for det i et laboratorium ved hjælp af dyre, kompliceret udstyr, hvilket ikke er praktisk i mange virkelige omgivelser. Nogle billigere, lette detektionsmetoder er blevet prøvet, men de havde ikke nok følsomhed og tog for lang tid at levere resultater.

Nu, forskning ledet af ARC Center of Excellence i Exciton Science har fundet en måde at påvise methyliodid gennem ændringer i farve, med - for første gang - nøjagtigheden, fleksibilitet og hastighed nødvendig for praktisk brug. Vigtigt, denne nye sensormekanisme er alsidig nok til brug ved detektering af en lang række desinfektionsmidler og kemiske kampmidler.

I samarbejde med Australiens nationale videnskabsagentur CSIRO og forsvarsministeriet, forskerne lånte noget ny teknologi, der bliver brugt til at forbedre solenergi - syntetiske nanokrystaller baseret på en perovskitstruktur - og forvandlede det til en detektionsmetode.

Deres tilgang bygger på det faktum, at disse stærkt fluorescerende nanokrystaller reagerer med desinfektionsmidlet og forårsager en ændring i farven på det lys, de udsender. Tilstedeværelsen af ​​methyliodid får nanokrystal-emissionen til at skifte fra grøn til gul, og så videre til orange, rød, og til sidst dyb rød, afhængig af mængden af ​​desinfektionsmiddel.

"Perovskite nanokrystaller har vist sig at være en meget effektiv lysudsender, " sagde hovedforfatter Dr. Wenping Yin fra Monash University.

"Her viste vi, at methyliodid kan reagere med sådanne perovskitter, og gør det meget hurtigt efter et simpelt kemisk aktiveringstrin. Kritisk, dette aktiveringstrin reducerer sensorens responstid fra et par timer til blot et par sekunder."

I denne proces, ionerne, der danner nanokrystallerne, ændrer sig hurtigt, når de udsættes for methyliodid udløst af en kemisk reaktion.

Reaktionen involverer udveksling af bromid med iodid i selve nanokrystallen, hvilket resulterer i farveændringen.

Ultimativt, forskerne har været i stand til at påvise, at ændringen i farve er afhængig af perovskit-nanokrystallerne og methyliodid-koncentrationerne.

"Selvom den kemiske mekanisme er meget kompliceret, resultatet er blot en farveændring af lyset produceret af nanokrystallerne, som er meget let at opdage, " sagde Wenping.

Den nye mekanisme har det bredeste udvalg, højeste følsomhed og hurtigste respons nogensinde opnået for en teknik, der ikke er afhængig af dyre laboratorieinstrumenter, producerer sine resultater på omkring fem sekunder ved stuetemperatur.

Forskerne håber nu, at deres resultater vil give en platform til at bygge en testenhed, der kan bruges i virkelige applikationer.

Seniorforfatter professor Jacek Jasieniak sagde:"Vi har forstået den grundlæggende mekanisme for, hvad der er nødvendigt for at gennemgå denne kolorimetriske sensing. Nu handler det om at bygge en prototype sensing-enhed.

"Det har brug for yderligere udvikling for at realisere dets sande potentiale for bredere påvisning af forskellige typer methylhalogenider, samt pesticider og kemiske kampmidler, som tåregas, og sennepsgas, men scenen er sat."

Forsvarsforsker og Industry Partner Investigator, Dr. Genevieve Dennison sagde:"Vi er meget begejstrede for det potentiale, som dette arbejde viser, og vi ser frem til at anvende teknologien til at beskytte vores militær og førstehjælpere."