I ricercatori hanno sviluppato un sensore costituito da aerosol la sua leggerezza è tale che sembra quasi “congelato” nell’aria, da cui il nome “frozen smoke” (fumo congelato), in tempo reale utilizza tecniche di intelligenza artificiale per rilevare la formaldeide a concentrazioni di otto parti per miliardo, ben oltre la sensibilità della maggior parte dei sensori di qualità dell’aria interna.
I ricercatori dell’Università di Cambridge hanno sviluppato sensori realizzati con materiali altamente porosi noti come aerogel. Progettando con precisione la forma dei fori negli aerogel, i sensori a temperatura ambiente sono stati in grado di rilevare l’impronta digitale della formaldeide, un comune inquinante dell’aria interna.
I sensori proof-of-concept, che richiedono una minima potenza, potrebbero essere adattati per rilevare un’ampia gamma di gas pericolosi e potrebbero anche essere miniaturizzati per applicazioni indossabili e sanitarie. I risultati sono stati pubblicati nella rivista Science Advances.
I composti organici volatili (COV) sono una delle principali fonti di inquinamento dell’aria interna e, a livelli elevati, causano lacrimazione, bruciore agli occhi e alla gola e difficoltà respiratorie. Concentrazioni elevate possono scatenare attacchi nelle persone affette da asma, l’esposizione prolungata può causare alcuni tipi di cancro.
La formaldeide è un COV comune ed è emessa da elementi domestici, tra cui prodotti in legno pressato (come il MDF), carte da parati e vernici e alcuni tessuti sintetici, nella maggior parte dei casi, i livelli di formaldeide emessi da questi materiali sono bassi, ma i livelli possono accumularsi nel tempo, soprattutto nei garage dove è più probabile che vengano conservate vernici e altri prodotti che emettono formaldeide.
Il rapporto del 2019 del gruppo di campagna Clean Air Day, riporta che un quinto delle abitazioni nel Regno Unito presenta concentrazioni notevoli di formaldeide, con il 13% delle residenze che supera il limite raccomandato dall’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS).
Tawfique Hasan della Cambridge Graphene Center, ha guidato la ricerca, ha affermato:
«I COV come la formaldeide con un’esposizione prolungata anche a basse concentrazioni, possono causare gravi problemi di salute, ma i sensori attuali non hanno la sensibilità o la selettività necessarie per distinguere tra i COV che hanno un impatto diverso sulla salute».
Zhuo Chen, primo autore dello studio ha affermato:
«Volevamo sviluppare un piccolo sensore con minima potenza, ma in grado di rilevare selettivamente la formaldeide a basse concentrazioni».
I ricercatori hanno basato i loro sensori sugli aerogel, materiali ultraleggeri talvolta definiti “fumo liquido”, poiché sono composti per oltre il 99% da aria in volume. La struttura aperta degli aerogel consente ai gas di muoversi facilmente all’interno e all’esterno. Ingegnerizzando con precisione la forma, o morfologia, dei fori, gli aerogel possono agire come sensori altamente efficaci.
I ricercatori di Cambridge in collaborazione con i colleghi dell’Università di Warwick, hanno ottimizzato la composizione e la struttura degli aerogel per aumentarne la sensibilità alla formaldeide, trasformandoli in filamenti larghi circa tre volte un capello umano. Hanno stampato in 3D linee di una pasta fatta di grafene, una forma bidimensionale di carbonio, e poi hanno liofilizzato la pasta di grafene per formare i fori nella struttura finale dell’aerogel. Gli aerogel incorporano anche minuscoli semiconduttori noti come punti quantici.
I sensori così sviluppati sono stati in grado di rilevare la formaldeide a concentrazioni di otto parti per miliardo, pari allo 0,4% del livello ritenuto sicuro nei luoghi di lavoro del Regno Unito. I sensori funzionano anche a temperatura ambiente e consumano pochissima energia.
Zhuo Chen ha affermato:
«I sensori di gas tradizionali devono essere riscaldati, ma grazie al modo in cui abbiamo progettato i materiali, i nostri sensori funzionano incredibilmente bene a temperatura ambiente, quindi utilizzano da 10 a 100 volte meno energia rispetto ad altri sensori».
I ricercatori per migliorare la selettività nei sensori, hanno poi incorporato algoritmi di apprendimento automatico. Gli algoritmi sono stati addestrati a rilevare l'”impronta digitale” di diversi gas, in modo che il sensore fosse in grado di distinguere l’impronta digitale della formaldeide da quella di altri COV.
Tawfique Hasan ha affermato:
«I rilevatori di COV esistenti sono strumenti spuntati: si ottiene solo un valore per la concentrazione complessiva nell’aria. Costruendo un sensore in grado di rilevare in tempo reale COV specifici a concentrazioni molto basse, si può fornire ai proprietari di case e aziende un quadro più preciso della qualità dell’aria e dei potenziali rischi per la salute».
I ricercatori sostengono che la stessa tecnica potrebbe essere utilizzata per sviluppare sensori in grado di rilevare altri COV, in teoria, un dispositivo delle dimensioni di un normale rilevatore domestico di monossido di carbonio, potrebbe incorporare al suo interno più differenti sensori, fornendo informazioni in tempo reale su una serie di gas pericolosi.
Il team di ricercatori dell’Università di Warwick sta sviluppando una piattaforma multisensore a basso costo che incorporerà questi nuovi materiali aerogelici e che, abbinata ad algoritmi di intelligenza artificiale, rileverà diversi COV.
Zhuo Chen in conclusione ha affermato:
«Utilizzando materiali altamente porosi come elemento di rilevamento, stiamo aprendo nuove strade per l’individuazione di materiali pericolosi nel nostro ambiente».
