Istraživači su razvili senzor napravljen od „zamrznutog dima“ koji koristi tehnike veštačke inteligencije za detekciju formaldehida u realnom vremenu u koncentracijama od čak osam delova na milijardu, daleko iznad osetljivosti većine senzora kvaliteta vazduha u zatvorenom prostoru.
Istraživači sa Univerziteta u Kembridžu razvili su senzore napravljene od visoko poroznih materijala poznatih kao aerogelovi. Preciznim projektovanjem oblika rupa u aerogelima, senzori su uspeli da otkriju otisak prsta formaldehida, uobičajenog zagađivača vazduha u zatvorenom prostoru, na sobnoj temperaturi.
Senzori za proveru koncepta, koji zahtevaju minimalnu snagu, mogu se prilagoditi za otkrivanje širokog spektra opasnih gasova, a takođe bi mogli biti minijaturizovani za aplikacije koje se mogu nositi i zdravstvene nege. Rezultati su objavljeni u časopisu Science Advances.
Isparljiva organska jedinjenja (VOC) su glavni izvor zagađenja vazduha u zatvorenom prostoru, uzrokujući suzenje očiju, peckanje u očima i grlu i otežano disanje na povišenim nivoima. Visoke koncentracije mogu izazvati napade kod ljudi sa astmom, a produženo izlaganje može izazvati određene vrste raka.
Formaldehid je uobičajen VOC i emituju ga predmeti za domaćinstvo, uključujući presovane drvene proizvode (kao što je MDF), tapete i boje, i neke sintetičke tkanine. Uglavnom, nivoi formaldehida koji emituju ovi predmeti su niski, ali se nivoi mogu nagomilati tokom vremena, posebno u garažama gde je veća verovatnoća da će se skladištiti boje i drugi proizvodi koji emituju formaldehid.
Prema izveštaju kampanje za Dan čistog vazduha iz 2019. godine, petina domaćinstava u Velikoj Britaniji pokazala je značajnu koncentraciju formaldehida, a 13% stanova je premašilo preporučenu granicu koju je postavila Svetska zdravstvena organizacija (SZO).
„VOC kao što je formaldehid mogu dovesti do ozbiljnih zdravstvenih problema sa produženim izlaganjem čak i pri niskim koncentracijama, ali trenutni senzori nemaju osetljivost ili selektivnost da razlikuju HOS koji imaju različite uticaje na zdravlje“, rekao je profesor Tavfikue Hasan iz Cambridge Graphene. Centar, koji je vodio istraživanje.
„Želeli smo da razvijemo senzor koji je mali i ne koristi mnogo energije, ali može selektivno da detektuje formaldehid pri niskim koncentracijama“, rekao je Žuo Čen, prvi autor lista.
Istraživači su svoje senzore zasnovali na aerogelima: ultra-lakim materijalima koji se ponekad nazivaju „tečnim dimom“, pošto su više od 99% zapremine vazduha. Otvorena struktura aerogela omogućava gasovima da lako ulaze i izlaze. Preciznim projektovanjem oblika ili morfologije rupa, aerogelovi mogu delovati kao visoko efikasni senzori.
Radeći sa kolegama sa Univerziteta Vorvik, istraživači iz Kembridža su optimizovali sastav i strukturu aerogela kako bi povećali njihovu osetljivost na formaldehid, pretvarajući ih u filamente oko tri puta veće od ljudske kose.
Istraživači su 3D štampali linije paste napravljene od grafena, dvodimenzionalnog oblika ugljenika, a zatim su zamrznuli grafensku pastu da bi formirali rupe u konačnoj strukturi aerogela. Aerogelovi takođe sadrže sićušne poluprovodnike poznate kao kvantne tačke.
Senzori koje su razvili bili su u stanju da detektuju formaldehid u koncentracijama od čak osam delova na milijardu, što je 0,4 odsto nivoa koji se smatra bezbednim na radnim mestima u Velikoj Britaniji. Senzori takođe rade na sobnoj temperaturi, trošeći veoma malu energiju.
„Tradicionalni senzori za gas moraju da se zagreju, ali zbog načina na koji smo konstruisali materijale, naši senzori rade neverovatno dobro na sobnoj temperaturi, tako da koriste između 10 i 100 puta manje energije od drugih senzora“, rekao je Čen.
Da bi poboljšali selektivnost, istraživači su zatim uključili algoritme mašinskog učenja u senzore. Algoritmi su obučeni da detektuju ‘otisak prsta’ različitih gasova, tako da je senzor bio u stanju da razlikuje otisak prsta formaldehida od drugih VOC.
„Postojeći detektori VOC su tupi instrumenti – dobijate samo jedan broj za ukupnu koncentraciju u vazduhu“, rekao je Hasan. „Izgradnjom senzora koji je u stanju da detektuje specifične VOC u veoma niskim koncentracijama u realnom vremenu, može vlasnicima kuća i preduzeća dati precizniju sliku kvaliteta vazduha i potencijalnih zdravstvenih rizika.
Istraživači kažu da bi se ista tehnika mogla koristiti za razvoj senzora za otkrivanje drugih VOC. U teoriji, uređaj veličine standardnog kućnog detektora ugljen monoksida mogao bi da sadrži više različitih senzora u sebi, pružajući informacije u realnom vremenu o nizu različitih opasnih gasova.
Tim u Vorviku razvija jeftinu platformu sa više senzora koja će uključiti ove nove aerogel materijale i, zajedno sa AI algoritmima, detektovati različite VOC.
„Koristeći visoko porozne materijale kao senzorski element, otvaramo potpuno nove načine otkrivanja opasnih materijala u našem okruženju“, rekao je Čen.
