Istraživači s Univerziteta u Cambridgeu razvili su revolucionarni senzor koji koristi "smrzнути dim" i umjetnu inteligenciju za detekciju formaldehida u realnom vremenu. Senzor je iznimno osjetljiv i može otkriti koncentracije od samo osam dijelova na milijardu, što je daleko iznad osjetljivosti većine senzora za kvalitetu zraka u zatvorenom prostoru.

Formaldehid je čest zagađivač zraka u zatvorenom prostoru koji se oslobađa iz različitih predmeta u našim domovima, uključujući namještaj od iverice, tapete, boje i sintetičke tkanine. Iako su razine emisije formaldehida iz ovih predmeta obično niske, one se mogu nakupljati tijekom vremena, posebno u garažama gdje se češće čuvaju boje i drugi proizvodi koji ispuštaju formaldehid.

Simptomi izloženosti formaldehidu uključuju suzenje očiju, peckanje u očima i grlu te poteškoće s disanjem u višim koncentracijama. Visoke koncentracije mogu potaknuti napade kod osoba s astmom, a dugotrajna izloženost može dovesti do raka.

Novi senzor, napravljen od poroznih nanomaterijala nazvanih aerogel, precizno je konstruiran za detekciju "otisaka prstiju" formaldehida na sobnoj temperaturi. Zahvaljujući umjetnoj inteligenciji, senzor može interpretirati signale iz aerogela i u realnom vremenu dati točne informacije o razini formaldehida u zraku.

Ovaj koncept senzora ima mnoštvo potencijalnih primjena. Senzori se mogu prilagoditi za detekciju širokog spektra opasnih plinova, a mogu se i minijaturizirati za korištenje u nosivima i zdravstvenim aplikacijama. Zahvaljujući minimalnoj potrošnji energije, idealni su za dugotrajnu upotrebu.

Razvoj ovog revolucionarnog senzora predstavlja značajan korak naprijed u borbi protiv zagađenja zraka u zatvorenom prostoru. Omogućuje nam da preciznije pratiomo kvalitetu zraka u našim domovima i poduzmemo korake za poboljšanje zdravlja i dobrobiti naših obitelji.

Prema izvješću kampanje Dana čistog zraka iz 2019. godine, jedna petina kućanstava u Ujedinjenom Kraljevstvu pokazivala je značajne koncentracije formaldehida, a 13% domova premašilo je preporučeno ograničenje Svjetske zdravstvene organizacije (WHO). 

Uz zabrinjavajuće visok udio zagađenih kućanstava, problemi oko formaldehida pogoršavaju se nedostatkom preciznih senzora. "Hlapljivi organski spojevi (HOS), poput formaldehida, mogu uzrokovati ozbiljne zdravstvene probleme pri dugotrajnom izlaganju čak i u niskim koncentracijama. Trenutni senzori nemaju osjetljivost ili selektivnost da razlikuju VOS koji imaju različite utjecaje na zdravlje", naglasio je profesor Tawfique Hasan iz Cambridge Graphene Centra, koji je vodio istraživanje.

U potrazi za alternativama, znanstvenici su pogledali prema inovativnim nanomaterijalima.  "Željeli smo razviti senzor koji je mali i energetski učinkovit, ali može selektivno otkriti formaldehid u niskim koncentracijama", objasnio je Zhuo Chen, glavni autor članka.  Upravo je ta potreba potaknula tim s Univerziteta u Cambridgeu da istraži mogućnosti korištenja aerogela – materijala kojemu jedinstvena poroznost daje izrazito malu gustoću. Zbog svoje specifične građe poznati su i pod nazivom "smrznuti dim".

Istraživači su pažljivo manipulirali oblikom pora u aerogelu kako bi stvorili precizan profil detekcije formaldehida. Tim znanstvenika je kombinirao nanostrukture sastavljene od kvantnih točaka (čestica poluvodiča od nanometarskih dimenzija) i 3D-ispisanih žica grafena – dvodimenzionalnog oblika ugljika. Krajnji rezultat bili su aerogel senzori u obliku filamenata debljine otprilike tri puta veće od ljudske dlake.  Oni su mogli prepoznati prisutnost čak osam dijelova formaldehida na milijardu dijelova zraka - što je samo 0,4% razine koja se u Ujedinjenom Kraljevstvu smatra sigurnom za radna mjesta. Štoviše, ovi napredni senzori pokazuju zapanjujuću preciznost u običnoj sobnoj temperaturi. To sve uz nisku potrošnju energije!   

Ovi revolucionarni senzori dodatno smanjuju zahtjeve za energijom zbog naprednog inženjeringa materijala od kojeg su napravljeni. "Tradicionalni senzori plina moraju se zagrijavati da bi ispravno funkcionirali. Naši senzori izvrsno rade na običnoj sobnoj temperaturi pa su energetski učinkovitiji između 10 i 100 puta u usporedbi s ostalim alternativama", ističe Zhuo Chen.  

Inovacije se tu ne zaustavljaju. Da bi dodatno poboljšali preciznost senzora, znanstvenici su implementirali algoritme strojnog učenja. Teoretski, algoritmi se mogu naučiti detektirati "otiščak prsta" različitih plinova i tako razaznati formaldehid od ostalih hlapljivih organskih spojeva.

Pojašnjavajući prednosti tog pristupa, profesor Hasan rekao je: "Postojeći VOC detektori pružaju jednostavne numeričke pokazatelje koncentracije bez razlikovanja vrsta plinova prisutnih u zraku. Stvaranjem senzora koji mogu identificirati specifične HOS u vrlo niskim koncentracijama, možemo korisnicima ponuditi točniju sliku o kvaliteti zraka i potencijalnim zdravstvenim rizicima." 

Ista tehnologija primjene aerogela mogla bi se, dakle, iskoristiti za detekciju šireg raspona opasnih plinova. Vizualizirajući budućnost senzora, autori istraživanja predlažu uredaj slične veličine kao standardni detektori ugljičnog monoksida s ugrađenim senzorima koji imaju mogućnost prepoznavanja raznih hlapljivih tvari. "Na Univerzitetu u Warwicku razvijamo niskom troškovnu više-senzorsku platformu koja će sadržavati nove materijale od aerogela. U sprezi s AI algoritmima otkrit će različite tipove HOS-a u okolišu", naglasio je suradnik na istraživanju, profesor Julian Gardner.    
Zhuo Chen zaključuje, "Primjenom visoko poroznih materijala kao senzorskih elemenata, otkrivamo potpuno nove putove detekcije opasnih tvari u našoj okolini. Sada kada smo pokazali da je koncept uspješan, otvaraju se mogućnosti razvoja senzora različite namjene". 

Izvor: University of Cambridge