Los investigadores de AMOLF han utilizado las propiedades especiales de los semiconductores de perovskita para desarrollar una prueba de pulverización sencilla para demostrar la presencia de plomo. La perovskita es un material adecuado para su uso en LED y células solares, por ejemplo. Una superficie que contiene plomo brilla de color verde brillante cuando se rocía con la prueba. Esta prueba es 1.000 veces más sensible que las pruebas existentes y los investigadores no encontraron resultados falsos positivos o falsos negativos. El estudio fue publicado el 27 de noviembre en la revista Environmental Science &Technology. .
"Hemos secuestrado la tecnología de los semiconductores de perovskita y la hemos utilizado en una prueba de plomo ampliamente implementable. Nadie en esta disciplina había pensado en esto", dice Lukas Helmbrecht, investigador del grupo Self-Organizing Matter dirigido por Wim Noorduin en AMOLF. "Estamos muy satisfechos con estos resultados", afirma Noorduin. "Es un proyecto realmente genial y es bastante raro que la investigación fundamental impacte literalmente al mundo entero con una aplicación".
Ciencia en casa
Hace un par de años, el grupo desarrolló un proceso de dos pasos para transformar una estructura de calcio, como el esqueleto de un erizo de mar, en un semiconductor. Luego, el carbonato de calcio del esqueleto reacciona y se transforma en una perovskita de plomo, un material semiconductor que emite luz bajo una lámpara ultravioleta.
Mientras estaba atrapado en casa durante la pandemia de COVID-19, Noorduin pensó en otras posibles aplicaciones de este material. Al mismo tiempo, escuchó sobre los considerables riesgos para la salud asociados con la exposición al plomo, especialmente para los niños pequeños, que pueden sufrir daños cerebrales a consecuencia de ello. Una prueba sencilla para demostrar la presencia de plomo podría ayudar a reducir dicha exposición y tal vez las propiedades de emisión de luz de la perovskita de plomo podrían ayudar con eso.
Noorduin se llevó a casa una solución que podía formar una perovskita si entraba en contacto con el plomo y la roció sobre una canaleta. Esto inmediatamente emitió un color verde brillante. Para su sorpresa, lo mismo ocurrió con la pintura del marco de la ventana adyacente, que también se iluminó. Ambas superficies contenían una forma de plomo. La luz verde es luminiscencia y revela la formación del semiconductor de perovskita de plomo. "Esto funcionó con tanta facilidad que empezamos a pensar en desarrollar una prueba para detectar plomo en una amplia gama de superficies".
Solo se enciende el cable
Helmbrecht aceptó el desafío y descubrió que una solución de bromuro de metilamonio funciona mejor. Tan pronto como esta solución entra en contacto con un compuesto de plomo, se forma inmediatamente una perovskita de plomo, que se ilumina de color verde brillante bajo la luz ultravioleta. Helmbrecht probó una variedad de superficies, desde tuberías de plomo y pintura hasta sales de plomo, vidrio y plásticos como PVC y cables eléctricos. Todos se iluminaron de color verde brillante como prueba de la presencia de plomo. Si se utiliza una solución de yoduro o cloruro en lugar de bromuro, la luz emitida es roja o azul, respectivamente.
Además, Helmbrecht probó más de cincuenta materiales que no contenían plomo pero sí elementos similares, como estaño, aluminio y cobre. Ninguno de estos se iluminó. Esto indica que la prueba es altamente quimioselectiva. La prueba revela concentraciones de plomo de un nanogramo por mm2, mientras que la mayoría de las pruebas actuales tienen una precisión de no más de unos pocos microgramos por mm2. Por tanto, la nueva prueba es 1.000 veces más sensible.
Curiosamente, no importa qué compuesto de plomo contenga el material:plomo metálico o una de las sales de plomo. Noorduin explica:"Parece que todos los compuestos se convierten en la llamada valencia 2+ del plomo. No nos sorprende que la reacción química sólo funcione con plomo. Lo sabemos por el trabajo con células solares de perovskita y LED. La reacción limitada es una desventaja para las células solares, pero para nuestra prueba es una ventaja porque hace que la prueba sea altamente selectiva. Sin embargo, nos sorprendió que la prueba funcione con tantos materiales diferentes que contienen plomo.
Aún se está investigando exactamente cómo se produce la reacción química, afirma Noorduin. "Creemos que se trata de un proceso de varios pasos en el que el plomo primero se disuelve un poco, posiblemente sufre una reacción redox y luego forma una sal de plomo, que posteriormente se convierte en perovskita. Sin embargo, la reacción es tan rápida que no podemos Aún puedo detectar los pasos."
Los conocimientos de este estudio, que al fin y al cabo comenzaron con la investigación de semiconductores de perovskita, podrían, a su vez, impulsar el mismo tipo de investigación para el desarrollo de mejores células solares o LED a partir de perovskita, por ejemplo.
Beneficios para la salud en todo el mundo
Un resultado de esta investigación es la empresa Lumetallix que Helmbrecht y Noorduin están creando junto con Jeroen van den Bosch con la reciente incorporación de Xander Terpstra (CCO). Junto con AMOLF, poseen conjuntamente una patente internacional sobre el proceso y desarrollo de un kit de prueba universal. Esto es asequible y fácil de usar para cualquiera que quiera saber si hay plomo en el entorno de vida. Los kits de prueba se pueden solicitar a través del sitio web. Los investigadores también están trabajando con ONG de todo el mundo para difundir los kits entre la población local de India y Costa de Marfil, por ejemplo. Esto permitiría a las personas tomar por sí mismas medidas para eliminar el plomo y así prevenir problemas de salud.
"El hecho de que una superficie que contiene plomo se ilumine de color verde brillante después de rociarla tiene muchas ventajas en comparación con las pruebas existentes que solo muestran un cambio de color", explica Helmbrecht. "En primer lugar, la prueba existente no funciona para personas daltónicas. En segundo lugar, nuestra prueba emite luz si se encuentra plomo, por lo que el resultado también se puede observar sin esfuerzo en lugares oscuros como, por ejemplo, sótanos. En tercer lugar, el hecho de que algo se enciende es a la vez mágico y alarmante. Por lo tanto, esperamos encontrar más personas dispuestas a realizar la prueba para que podamos aumentar la conciencia sobre la presencia de plomo, también aquí en los Países Bajos."
Más información: Lukas Helmbrecht et al, Detección directa de plomo ambiental mediante formación de perovskita fotoluminiscente con sensibilidad de nanogramos, Ciencia y tecnología ambientales (2023). DOI:10.1021/acs.est.3c06058
Información de la revista: Ciencia y tecnología ambientales
Proporcionado por AMOLF
