Aus "gefrorenem Rauch" hergestellte Sensoren können giftiges Formaldehyd in Wohnungen und Büros aufspüren
Die Proof-of-Concept-Sensoren könnten für die Erkennung einer Vielzahl gefährlicher Gase angepasst werden
Forscher haben einen Sensor aus "gefrorenem Rauch" entwickelt, der mithilfe von Techniken der künstlichen Intelligenz Formaldehyd in Echtzeit bei Konzentrationen von nur acht Teilen pro Milliarde nachweisen kann, was weit über die Empfindlichkeit der meisten Sensoren für die Luftqualität in Innenräumen hinausgeht.
Formaldehyd ist ein häufig vorkommender flüchtiger organischer Stoff und wird von Haushaltsgegenständen wie gepressten Holzprodukten (z. B. MDF), Tapeten und Farben sowie einigen synthetischen Stoffen emittiert (Symbolbild).
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Die Forscher von der Universität Cambridge entwickelten Sensoren aus hochporösen Materialien, den so genannten Aerogelen. Durch die präzise Gestaltung der Form der Löcher in den Aerogelen waren die Sensoren in der Lage, den Fingerabdruck von Formaldehyd, einem häufigen Schadstoff in der Innenraumluft, bei Raumtemperatur zu erkennen.
Die Proof-of-Concept-Sensoren, die nur einen minimalen Stromverbrauch haben, könnten für die Erkennung einer Vielzahl gefährlicher Gase angepasst und auch für tragbare und medizinische Anwendungen miniaturisiert werden. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Flüchtige organische Verbindungen (VOC) sind eine der Hauptquellen für die Luftverschmutzung in Innenräumen und verursachen bei hohen Konzentrationen tränende Augen, Brennen in Augen und Rachen und Atembeschwerden. Hohe Konzentrationen können bei Menschen mit Asthma Anfälle auslösen, und eine längere Exposition kann bestimmte Krebsarten verursachen.
Formaldehyd ist ein häufig vorkommender flüchtiger organischer Stoff und wird von Haushaltsgegenständen wie gepressten Holzprodukten (z. B. MDF), Tapeten und Farben sowie einigen synthetischen Stoffen emittiert. In den meisten Fällen sind die Formaldehyd-Emissionen dieser Gegenstände gering, aber die Werte können sich im Laufe der Zeit erhöhen, insbesondere in Garagen, in denen Farben und andere Formaldehyd emittierende Produkte häufig gelagert werden.
Einem Bericht der Kampagnengruppe Clean Air Day aus dem Jahr 2019 zufolge wies ein Fünftel der Haushalte im Vereinigten Königreich auffällige Formaldehydkonzentrationen auf, wobei 13 % der Wohnungen den von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfohlenen Grenzwert überschritten.
"VOCs wie Formaldehyd können bei längerer Exposition selbst bei niedrigen Konzentrationen zu ernsthaften Gesundheitsproblemen führen, aber die derzeitigen Sensoren haben nicht die Empfindlichkeit oder Selektivität, um zwischen VOCs zu unterscheiden, die unterschiedliche Auswirkungen auf die Gesundheit haben", sagte Professor Tawfique Hasan vom Cambridge Graphene Centre, der die Forschung leitete.
"Wir wollten einen Sensor entwickeln, der klein ist und wenig Strom verbraucht, aber selektiv Formaldehyd in niedrigen Konzentrationen nachweisen kann", so Zhuo Chen, der Erstautor der Studie.
Die Forscher stützten ihre Sensoren auf Aerogele: ultraleichte Materialien, die manchmal auch als "flüssiger Rauch" bezeichnet werden, da sie zu mehr als 99 % aus Luft bestehen. Die offene Struktur der Aerogele ermöglicht es Gasen, sich leicht hinein- und hinauszubewegen. Durch die präzise Gestaltung der Form bzw. Morphologie der Löcher können die Aerogele als hochwirksame Sensoren dienen.
In Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Warwick optimierten die Cambridge-Forscher die Zusammensetzung und Struktur der Aerogele, um ihre Empfindlichkeit gegenüber Formaldehyd zu erhöhen, und formten sie zu Fäden, die etwa dreimal so breit wie ein menschliches Haar sind. Die Forscher druckten Linien aus 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, so genannte 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 nur sehr wenig Strom.
"Herkömmliche Gassensoren müssen erhitzt werden, aber aufgrund der Art und Weise, wie wir die Materialien entwickelt haben, funktionieren unsere Sensoren unglaublich gut bei Raumtemperatur, so dass sie zwischen 10 und 100 Mal weniger Strom verbrauchen als andere Sensoren", so Chen.
Um die Selektivität zu verbessern, bauten die Forscher dann Algorithmen für maschinelles Lernen in die Sensoren ein. Die Algorithmen wurden darauf trainiert, den "Fingerabdruck" verschiedener Gase zu erkennen, so dass der Sensor in der Lage war, den Fingerabdruck von Formaldehyd von anderen VOCs zu unterscheiden.
"Bestehende VOC-Detektoren sind stumpfe Instrumente - man erhält nur eine Zahl für die Gesamtkonzentration in der Luft", so Hasan. "Durch den Bau eines Sensors, der in der Lage ist, spezifische VOCs in sehr niedrigen Konzentrationen in Echtzeit zu erkennen, können Haus- und Geschäftsbesitzer ein genaueres Bild der Luftqualität und möglicher Gesundheitsrisiken erhalten."
Den Forschern zufolge könnte dieselbe Technik zur Entwicklung von Sensoren für andere flüchtige organische Verbindungen verwendet werden. Theoretisch könnte ein Gerät von der Größe eines haushaltsüblichen Kohlenmonoxiddetektors mehrere verschiedene Sensoren enthalten, die in Echtzeit Informationen über eine Reihe verschiedener gefährlicher Gase liefern. Das Team in Warwick entwickelt eine kostengünstige Multisensor-Plattform, die diese neuen Aerogel-Materialien enthält und in Verbindung mit KI-Algorithmen verschiedene VOCs erkennt.
"Durch die Verwendung hochporöser Materialien als Sensorelement eröffnen wir ganz neue Möglichkeiten zur Erkennung gefährlicher Stoffe in unserer Umwelt", so Chen.
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