Personlig og skalerbar nitrogendioxidsensor: Kunne være et vigtigt værktøj i kampen mod luftforurening og tilhørende sundhedsrisici

Forskere ved University of Sussex har samarbejdet med et Oxford-firma, M-SOLV, og et team af forskere fra hele Europa for at udvikle et meget følsomt og nøjagtigt nitrogendioxid (NO_{2)) sensor, som har livreddende potentielle anvendelser i hjemmet, offentlige og industrielle omgivelser. Et stort luftforurenende stof, der stammer fra forbrændingsmotorer og industrielle processer, kan langvarig eksponering for NO}2 _{forårsage åndedrætsproblemer, som kan være særligt alvorlige og endda livstruende for babyer og astmapatienter.}

Gassensoren kunne for første gang give nøjagtige aflæsninger af NO_{2 niveauerne i det lokale miljø i en prisbillig og bærbar Internet-of-Things-enhed, som kunne synkronisere med smartphones og applikationer.}

Den Europæiske Unions regler tillader, at en tærskel på 20 dele pr. milliard (ppb) af NO_{2 i luften ikke kan overvindes mere end 18 gange om året. Alene i London er det månedlige gennemsnit dog regelmæssigt over dette. Overvågning af luftkvaliteten for at forhindre en sådan eksponering ved ppb-niveauer er i øjeblikket kun mulig med uhåndterligt, dyrt udstyr og er derfor næsten ikke implementeret.}

Udfordringen, som forskerne stod over for, var derfor at skabe en enhed, der var følsom og nøjagtig nok til at registrere under 20 dele pr. milliard NO_{2 i luften, men som også ville fungere i virkelige situationer, og som ville være praktisk og overkommelig nok til at have potentiale til udbredt brug.}

Deres gennembrud kom, da de udviklede et NO₂ sensingslag baseret på en laserdeponeret carbon aerogel (LDCA), som de fandt ud af at have enestående selektivitet over for NO _{2 i forhold til andre almindelige luftforurenende stoffer, hvilket gør det unikt blandt kulstof nanomaterialer.}

Ved brug af en skalerbar og billig et-trins-laserproces afsættes den tynde, porøse og godt klæbende film af LDCA derefter på elektroder, som derefter kan anbringes i en række enhedsstrukturer til kontinuerlig luftovervågning. Sensoren er så følsom, at den kan detektere tæt på 10 dele pr. milliard NO_{2 på under 15 minutter og, altafgørende, kan fungere ved stuetemperatur - selv yder godt under fugtige forhold, et problematisk miljø for mange andre sensorer.}

Professor Alan D alton, der leder Materials Physics-gruppen ved University of Sussex, siger: "Ligesom kondens på en rude har nanomaterialer som det kulstof, vi har brugt i denne udvikling, næsten altid overfladevand. Norm alt er dette en rigtig dårlig ting, da det forstyrrer teknologien, men i dette tilfælde har vi været i stand til at bruge dette lag vand til vores fordel til selektivt at opløse NO_{2 i stedet for andre flygtige stoffer, der norm alt findes under omgivende forhold.}

"Som fysiker er dette virkelig spændende, da det er det, der giver vores sensor så høj en følsomhed over for NO₂ under virkelige forhold, hvilket sikrer, at vi undgår falske positive læsninger. Som far var en af de ting, der har motiveret mig til at forfølge denne udvikling, at høre om indflydelsen af farlige niveauer af NO_{2 i luften - noget vi ser regelmæssigt i vores storbyer - om spædbørnssygelighed. Det er ikke en nyhed, at bymiljøer oplever høje niveauer af forurening, men uden udbredt og præcis overvågning af luftkvaliteten er de fleste af os i mørke om, hvor skadelig luften i vores lokalområde virkelig kan være. for os selv og vores børn."}

Potentielle anvendelser for sensoren kunne omfatte: som en sikkerhedsanordning til at overvåge luftkvaliteten i en babys soveværelse; at hjælpe med at informere om de bedste vandre- eller cykelruter og tidspunkter på dagen for at undgå høje forureningsniveauer; og endda af ejendomsmæglere for at give potentielle huskøbere oplysninger om nitrogendioxidniveauerne i et hjem og et område. Forskerne håber, at teknologien vil blive brugt af råd til at spore forureningsniveauer i bymiljøer og industri.

Peter Lynch, en postdoc-forsker ved University of Sussex, som spillede en nøglerolle i sensorudviklingen, siger: "Som et team af forskere fra hele Europa var et af vores fælles mål at udvikle en sensor, der ville ikke kun præstere fantastisk uden for laboratoriet, men det ville også være overkommeligt nok til at være tilgængeligt for din gennemsnitlige husstand, hvilket sikrer, at flere af os har adgang til information om luftkvaliteten i vores lokalområde og time for time.

"Ud over at hjælpe enkeltpersoner med at træffe informerede valg er vores håb, at disse data også kan indgå i en national - endda verdensomspændende - forureningsovervågningsdatabase for at påvirke luftkvaliteten positivt."

Adam Brunton, direktør for forretningsudvikling hos M-SOLV, som fremstiller NO_{2-sensorenheden, sagde: "En god ting ved denne sensor er, at den er lavet ved at bruge velkendt udstyr og materialer, som vi allerede har i vores Large Area Electronics Manufacturing Cleanroom her i Oxford. Dette betyder, at det er kompatibelt med standard smartphone-fremstillingsteknikker og nemt kan integreres med behandlingselektronik, trådløs kommunikation, mobilnetværk osv. At få fjernadgang til data fra en individuel enhed eller et enormt netværk af disse sensorer er derfor en ret ligetil proces."}