Onderzoekers hebben een sensor ontwikkeld van “bevroren rook” die gebruikmaakt van kunstmatige intelligentie-technieken om formaldehyde in real-time te detecteren, zelfs bij concentraties zo laag als acht deeltjes per miljard, ver boven de gevoeligheid van de meeste sensoren voor binnenluchtkwaliteit.
Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge hebben sensoren gemaakt van sterk poreuze materialen, bekend als aerogels. Door precies ontworpen poriestructuren in de aerogels konden de sensoren de vingerafdruk van formaldehyde, een veelvoorkomende luchtvervuiler binnenshuis, detecteren bij kamertemperatuur.
De conceptsensoren, die weinig vermogen vereisen, kunnen worden aangepast om een breed scala aan schadelijke gassen te detecteren en kunnen ook worden verkleind voor draagbare en gezondheidszorgtoepassingen. De onderzoeksresultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.
Vluchtige organische stoffen (VOS) zijn de belangrijkste bron van luchtvervuiling binnenshuis en kunnen bij verhoogde niveaus irritatie van de ogen, keel- en oogbranden en ademhalingsproblemen veroorzaken. Hoge concentraties kunnen aanvallen veroorzaken bij astmatische personen en langdurige blootstelling kan leiden tot bepaalde vormen van kanker.
Formaldehyde is een veelvoorkomende VOS en komt vrij uit huishoudelijke producten zoals geperst hout (bijv. MDF-platen), behang, verf en sommige synthetische materialen. In de meeste gevallen zijn de niveaus van formaldehyde die door deze producten worden uitgestoten laag, maar ze kunnen zich in de loop van de tijd ophopen, vooral in garages waar verf en andere formaldehyde-afgevende producten waarschijnlijk worden opgeslagen.
Volgens een rapport uit 2019 van Clean Air Day vertoonde één op de vijf Britse huishoudens merkbare concentraties formaldehyde, en 13% van de huizen overschreed de aanbevolen limiet van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO).
“Vluchtige organische stoffen zoals formaldehyde kunnen ernstige gezondheidsproblemen veroorzaken bij langdurige blootstelling, zelfs bij lage concentraties, maar huidige sensoren missen de gevoeligheid en selectiviteit om onderscheid te maken tussen stoffen met verschillende gezondheidseffecten,” zei professor Tawfique Hasan van het Cambridge Graphene Center, die het onderzoek leidde.
“We wilden een sensor ontwikkelen die klein is, zeer weinig energie verbruikt, maar selectief formaldehyde bij lage concentraties kan detecteren,” zei Zhuo Chen, de eerste auteur van het artikel.
De onderzoekers hebben hun sensoren gebaseerd op aerogels: ultralichte materialen die soms “bevroren rook” worden genoemd omdat ze voor meer dan 99% uit lucht bestaan. De open structuur van aerogels maakt een gemakkelijke doordringing van gassen mogelijk. Door de openingen in de aerogels precies vorm te geven, kunnen ze dienen als zeer effectieve sensoren.
In samenwerking met collega’s van de Universiteit van Warwick hebben de Cambridge-onderzoekers de samenstelling en structuur van de aerogels geoptimaliseerd om hun gevoeligheid voor formaldehyde te verbeteren, waarbij filaments zijn gemaakt die ongeveer drie keer breder zijn dan de diameter van een mensenhaar.
De onderzoekers hebben lijnen van grafietpasta, een tweedimensionale vorm van koolstof, geprint en vervolgens de grafietpasta gevriesdroogd, waarbij poriën in de uiteindelijke aerogelstructuur ontstaan. De aerogels bevatten ook kleine halfgeleiders die bekend staan als quantum dots.
De ontwikkelde sensoren waren in staat om formaldehyde te detecteren bij concentraties zo laag als acht deeltjes per miljard, wat 0,4% is van het als veilig erkende niveau op Britse werkplekken. Deze sensoren werken ook bij kamertemperatuur en verbruiken zeer weinig energie.
“Traditionele gasdetectoren moeten worden verwarmd, maar door de manier waarop we de materialen hebben ontworpen, presteren onze sensoren ongelooflijk goed bij kamertemperatuur en verbruiken ze 10 tot 100 keer minder energie dan andere sensoren,” zei Chen.
Om de selectiviteit te verbeteren, hebben de onderzoekers machine learning-algoritmen in de sensoren geïntroduceerd. De algoritmen werden getraind om de “vingerafdruk” van verschillende gassen te herkennen, waardoor de sensor het formaldehyde-vingerafdruk kan onderscheiden van andere vluchtige organische stoffen.
“Bestaande VOS-detectoren zijn relatief grote apparaten – je krijgt maar één getal dat de totale concentratie in de lucht aangeeft,” aldus Hasan. “Door een sensor te bouwen die in staat is om specifieke vluchtige verbindingen bij zeer lage concentraties in realtime te detecteren, kunnen we huiseigenaren en bedrijven een nauwkeuriger beeld geven van de luchtkwaliteit en mogelijke gezondheidsrisico’s.”
De onderzoekers beweren dat dezelfde techniek kan worden gebruikt om sensoren te ontwikkelen voor het detecteren van andere VOS. In theorie zou een apparaat ter grootte van een standaard koolmonoxidemelder voor thuis meerdere verschillende sensoren kunnen bevatten die realtime informatie verstrekken over verschillende schadelijke gassen.
Het team van Warwick werkt aan de ontwikkeling van een kosteneffectief multi-sensorplatform dat gebruikmaakt van deze nieuwe aerogelmaterialen en kunstmatige intelligentie-algoritmen.
“Door sterk poreuze materialen als sensorelementen te gebruiken, openen we nieuwe manieren om schadelijke stoffen in onze omgeving te detecteren,” aldus Chen.
De onderzoekers hebben een sensor gemaakt van “bevroren rook” die gebruikmaakt van kunstmatige intelligentie om formaldehyde in real-time te detecteren, zelfs bij lage concentraties. Deze sensoren zijn gemaakt van aerogels en kunnen worden verkleind voor draagbare en gezondheidszorgtoepassingen. Formaldehyde is een veelvoorkomende luchtvervuiler binnenshuis die wordt uitgestoten door huishoudelijke producten. Huidige sensoren missen de benodigde gevoeligheid en selectiviteit, terwijl de ontwikkelde sensoren formaldehyde kunnen detecteren, zelfs bij concentraties van 0,4% van het erkende veilige niveau. De sensoren presteren uitstekend bij kamertemperatuur en verbruiken minimale hoeveelheden energie. Machine learning-algoritmen werden gebruikt om de selectiviteit van de sensoren te verbeteren. Deze techniek kan ook worden toegepast om andere vluchtige organische stoffen te detecteren. De onderzoekers werken aan de ontwikkeling van een kosteneffectief multi-sensorplatform dat gebruikmaakt van deze nieuwe materialen en kunstmatige intelligentie-algoritmen. [Bron](https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210331113326.htm)
Definities:
– Sensor – een apparaat dat veranderingen in de omgeving detecteert en registreert.
– Formaldehyde – een organische chemische verbinding met de formule CH2O, veel gebruikt in veel huishoudelijke producten zoals meubels, vloeren, verf en lijmen. Vaak uitgestoten als een luchtvervuiler binnenshuis.
– Aerogels – ultralichte materialen met een open structuur die voor meer dan 99% uit lucht bestaan. Ze hebben brede toepassingen op het gebied van wetenschap en technologie.
– Vluchtige organische stoffen (VOS) – organische chemische verbindingen die gemakkelijk overgaan in de gasfase. Meestal uitgestoten door huishoudelijke en industriële chemicaliën zoals verf, lijmen, reinigingsmiddelen, parfums, enz.
– Machine learning-algoritmen – technieken die gebruikmaken van kunstmatige intelligentie om computers te leren op basis van data, waardoor ze beslissingen kunnen nemen of taken kunnen uitvoeren zonder expliciete programmering.
Sugger
The source of the article is from the blog lisboatv.pt