Forscher haben einen Sensor aus „gefrorenem Rauch“ entwickelt, der Techniken der künstlichen Intelligenz nutzt, um Formaldehyd in Echtzeit in Konzentrationen von nur acht Teilen pro Milliarde zu erkennen, was weit über der Empfindlichkeit der meisten Sensoren für die Luftqualität in Innenräumen liegt.
Die Forscher der Universität Cambridge entwickelten Sensoren aus hochporösen Materialien, sogenannten Aerogelen. Durch die präzise Gestaltung der Form der Löcher in den Aerogelen konnten die Sensoren den Fingerabdruck von Formaldehyd, einem häufigen Luftschadstoff in Innenräumen, bei Raumtemperatur erkennen.
Die Proof-of-Concept-Sensoren, die nur minimale Energie benötigen, könnten angepasst werden, um ein breites Spektrum gefährlicher Gase zu erkennen, und könnten auch für tragbare Anwendungen und Anwendungen im Gesundheitswesen miniaturisiert werden. Die Ergebnisse sind gemeldet im Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritte.
Flüchtige organische Verbindungen (VOCs) sind eine Hauptquelle der Luftverschmutzung in Innenräumen und verursachen bei erhöhten Konzentrationen tränende Augen, Brennen in den Augen und im Hals sowie Atembeschwerden. Hohe Konzentrationen können bei Menschen mit Asthma Anfälle auslösen und eine längere Exposition kann bestimmte Krebsarten verursachen.
Formaldehyd ist ein weitverbreiteter VOC und wird von Haushaltsgegenständen wie gepressten Holzprodukten (z. B. MDF), Tapeten und Farben sowie einigen synthetischen Stoffen emittiert. Der von diesen Gegenständen emittierte Formaldehydgehalt ist größtenteils gering, doch mit der Zeit kann sich dieser Wert erhöhen, insbesondere in Garagen, in denen Farben und andere Formaldehyd emittierende Produkte eher gelagert werden.
Laut einem Bericht aus dem Jahr 2019 Bericht Laut der Kampagne „Clean Air Day“ wies ein Fünftel der Haushalte im Vereinigten Königreich erhebliche Formaldehydkonzentrationen auf, wobei 13 % der Haushalte den von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfohlenen Grenzwert übertrafen.
„VOCs wie Formaldehyd können bei längerer Exposition selbst bei geringen Konzentrationen zu ernsthaften Gesundheitsproblemen führen, aber aktuelle Sensoren verfügen nicht über die Empfindlichkeit oder Selektivität, um zwischen VOCs zu unterscheiden, die unterschiedliche Auswirkungen auf die Gesundheit haben“, sagte Professor Tawfique Hasan vom Cambridge Graphene Center, der die Forschung leitete.
„Wir wollten einen Sensor entwickeln, der klein ist und nicht viel Strom verbraucht, aber Formaldehyd in geringen Konzentrationen selektiv erkennen kann“, sagte Zhuo Chen, der Erstautor der Arbeit.
Die Forscher basierten ihre Sensoren auf Aerogelen: ultraleichte Materialien, die manchmal als „Flüssigrauch“ bezeichnet werden, da sie zu mehr als 99 Volumenprozent aus Luft bestehen. Die offene Struktur von Aerogelen ermöglicht den einfachen Ein- und Austritt von Gasen. Durch die präzise Gestaltung der Form oder Morphologie der Löcher können die Aerogele als hochwirksame Sensoren fungieren.
In Zusammenarbeit mit Kollegen der Warwick University optimierten die Cambridge-Forscher die Zusammensetzung und Struktur der Aerogele, um ihre Empfindlichkeit gegenüber Formaldehyd zu erhöhen, und machten sie zu Filamenten, die etwa dreimal so breit sind wie ein menschliches Haar.
Die Forscher druckten Linien einer Paste aus Graphen, einer zweidimensionalen Form von Kohlenstoff, in 3D und trockneten die Graphenpaste anschließend gefriergetrocknet, um die Löcher in der endgültigen Aerogelstruktur zu bilden. Die Aerogele enthalten auch winzige Halbleiter, sogenannte Quantenpunkte.
Die von ihnen entwickelten Sensoren konnten Formaldehyd in Konzentrationen von nur acht Teilen pro Milliarde nachweisen, was 0,4 Prozent des Wertes entspricht, der an britischen Arbeitsplätzen als sicher gilt. Die Sensoren funktionieren auch bei Raumtemperatur und verbrauchen sehr wenig Strom.
„Herkömmliche Gassensoren müssen erhitzt werden, aber aufgrund der Art und Weise, wie wir die Materialien entwickelt haben, funktionieren unsere Sensoren bei Raumtemperatur unglaublich gut, sodass sie zwischen 10 und 100 Mal weniger Strom verbrauchen als andere Sensoren“, sagte Chen.
Um die Selektivität zu verbessern, integrierten die Forscher anschließend maschinelle Lernalgorithmen in die Sensoren. Die Algorithmen wurden darauf trainiert, den „Fingerabdruck“ verschiedener Gase zu erkennen, sodass der Sensor den Fingerabdruck von Formaldehyd von anderen VOCs unterscheiden konnte.
„Bestehende VOC-Detektoren sind stumpfe Instrumente – man erhält nur eine Zahl für die Gesamtkonzentration in der Luft“, sagte Hasan. „Durch die Entwicklung eines Sensors, der in der Lage ist, bestimmte VOCs in sehr geringen Konzentrationen in Echtzeit zu erkennen, können Haus- und Geschäftsinhaber ein genaueres Bild der Luftqualität und potenzieller Gesundheitsrisiken erhalten.“
Die Forscher sagen, dass die gleiche Technik zur Entwicklung von Sensoren zur Erkennung anderer VOCs verwendet werden könnte. Theoretisch könnte ein Gerät von der Größe eines haushaltsüblichen Kohlenmonoxiddetektors mehrere verschiedene Sensoren enthalten und Echtzeitinformationen über eine Reihe verschiedener gefährlicher Gase liefern.
Das Team bei Warwick entwickelt eine kostengünstige Multisensorplattform, die diese neuen Aerogelmaterialien integrieren und in Verbindung mit KI-Algorithmen verschiedene VOCs erkennen wird.
„Durch die Verwendung hochporöser Materialien als Sensorelement eröffnen wir völlig neue Möglichkeiten zur Erkennung gefährlicher Materialien in unserer Umgebung“, sagte Chen.
Mehr Informationen:
Zhuo Chen et al., Echtzeit-, geräusch- und driftbeständige Formaldehyd-Erkennung bei Raumtemperatur mit Aerogel-Filamenten, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk6856. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6856