Los investigadores han desarrollado un sensor hecho de "humo congelado" que utiliza técnicas de inteligencia artificial para detectar formaldehído en tiempo real en concentraciones tan bajas como ocho partes por mil millones, mucho más allá de la sensibilidad de la mayoría de los sensores de calidad del aire interior.
Los investigadores de la Universidad de Cambridge desarrollaron sensores fabricados a partir de materiales muy porosos conocidos como aerogeles. Al diseñar con precisión la forma de los agujeros en los aerogeles, los sensores pudieron detectar la huella del formaldehído, un contaminante común del aire interior, a temperatura ambiente.
Los sensores de prueba de concepto, que requieren una energía mínima, podrían adaptarse para detectar una amplia gama de gases peligrosos y también podrían miniaturizarse para aplicaciones portátiles y de atención médica. Los resultados se publican en la revista Science Advances. .
Los compuestos orgánicos volátiles (COV) son una fuente importante de contaminación del aire interior, ya que provocan ojos llorosos, ardor en los ojos y la garganta y dificultad para respirar en niveles elevados. Las altas concentraciones pueden desencadenar ataques en personas con asma y la exposición prolongada puede causar ciertos tipos de cáncer.
El formaldehído es un COV común y lo emiten artículos del hogar, incluidos productos de madera prensada (como MDF), papeles pintados y pinturas, y algunas telas sintéticas. En su mayor parte, los niveles de formaldehído emitidos por estos artículos son bajos, pero los niveles pueden aumentar con el tiempo, especialmente en garajes donde es más probable que se almacenen pinturas y otros productos que emiten formaldehído.
Según un informe de 2019 del grupo de campaña Clean Air Day, una quinta parte de los hogares en el Reino Unido mostraron concentraciones notables de formaldehído, y el 13% de las residencias superó el límite recomendado establecido por la Organización Mundial de la Salud (OMS).
"Los COV como el formaldehído pueden provocar problemas de salud graves con una exposición prolongada, incluso en concentraciones bajas, pero los sensores actuales no tienen la sensibilidad o la selectividad para distinguir entre los COV que tienen diferentes impactos en la salud", dijo el profesor Tawfique Hasan del Cambridge Graphene. Center, quien dirigió la investigación.
"Queríamos desarrollar un sensor que fuera pequeño y no utilizara mucha energía, pero que pudiera detectar selectivamente formaldehído en concentraciones bajas", dijo Zhuo Chen, primer autor del artículo.
Los investigadores basaron sus sensores en aerogeles:materiales ultraligeros a los que a veces se hace referencia como "humo líquido", ya que tienen más del 99% de aire en volumen. La estructura abierta de los aerogeles permite que los gases entren y salgan fácilmente. Al diseñar con precisión la forma o morfología de los agujeros, los aerogeles pueden actuar como sensores altamente eficaces.
Trabajando con colegas de la Universidad de Warwick, los investigadores de Cambridge optimizaron la composición y estructura de los aerogeles para aumentar su sensibilidad al formaldehído, convirtiéndolos en filamentos de aproximadamente tres veces el ancho de un cabello humano.
Los investigadores imprimieron en 3D líneas de una pasta hecha de grafeno, una forma bidimensional de carbono, y luego liofilizaron la pasta de grafeno para formar los agujeros en la estructura final del aerogel. Los aerogeles también incorporan pequeños semiconductores conocidos como puntos cuánticos.
Los sensores que desarrollaron pudieron detectar formaldehído en concentraciones tan bajas como ocho partes por mil millones, que es el 0,4 por ciento del nivel considerado seguro en los lugares de trabajo del Reino Unido. Los sensores también funcionan a temperatura ambiente y consumen muy poca energía.
"Los sensores de gas tradicionales necesitan calentarse, pero debido a la forma en que hemos diseñado los materiales, nuestros sensores funcionan increíblemente bien a temperatura ambiente, por lo que utilizan entre 10 y 100 veces menos energía que otros sensores", dijo Chen. /P>
Para mejorar la selectividad, los investigadores incorporaron algoritmos de aprendizaje automático en los sensores. Los algoritmos fueron entrenados para detectar la "huella digital" de diferentes gases, de modo que el sensor pudo distinguir la huella digital del formaldehído de otros COV.
"Los detectores de COV existentes son instrumentos contundentes:sólo se obtiene un número para la concentración general en el aire", dijo Hasan. "Al construir un sensor capaz de detectar COV específicos en concentraciones muy bajas en tiempo real, se puede brindar a los propietarios de viviendas y negocios una imagen más precisa de la calidad del aire y de cualquier riesgo potencial para la salud".
Los investigadores dicen que la misma técnica podría usarse para desarrollar sensores que detecten otros COV. En teoría, un dispositivo del tamaño de un detector de monóxido de carbono doméstico estándar podría incorporar múltiples sensores diferentes, proporcionando información en tiempo real sobre una variedad de diferentes gases peligrosos.
El equipo de Warwick está desarrollando una plataforma multisensor de bajo coste que incorporará estos nuevos materiales de aerogel y, junto con algoritmos de IA, detectará diferentes COV.
"Al utilizar materiales altamente porosos como elemento sensor, estamos abriendo formas completamente nuevas de detectar materiales peligrosos en nuestro entorno", afirmó Chen.
Más información: Zhuo Chen et al, Detección de formaldehído resistente al ruido y a la deriva en tiempo real a temperatura ambiente con filamentos de aerogel, Avances científicos (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk6856. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6856
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por la Universidad de Cambridge
