محققان سنسوری ساخته شده از “دود یخ زده” ساخته اند که از تکنیک های هوش مصنوعی برای تشخیص فرمالدئید در زمان واقعی در غلظت هشت قسمت در میلیارد استفاده می کند که بسیار فراتر از حساسیت اکثر سنسورهای کیفیت هوای داخلی است.
محققان دانشگاه کمبریج حسگرهایی ساخته اند که از مواد بسیار متخلخل به نام آئروژل ساخته شده است. این حسگرها با مهندسی دقیق شکل سوراخ‌ها در ایروژل‌ها توانستند اثر انگشت فرمالدئید، یک آلاینده معمول هوای داخل خانه را در دمای اتاق تشخیص دهند.
حسگرهای اثبات مفهوم، که به حداقل قدرت نیاز دارند، می توانند برای شناسایی طیف گسترده ای از گازهای خطرناک تطبیق داده شوند و همچنین می توانند برای کاربردهای پوشیدنی و مراقبت های بهداشتی کوچک شوند. نتایج در مجله گزارش شده است پیشرفت علمی.
ترکیبات آلی فرار (VOCs) منبع اصلی آلودگی هوای داخل ساختمان هستند که باعث آبریزش چشم ها، سوزش چشم و گلو و مشکل در تنفس در سطوح بالا می شوند. غلظت بالا می تواند باعث حملات در افراد مبتلا به آسم شود و قرار گرفتن در معرض طولانی مدت می تواند باعث ایجاد برخی از انواع سرطان شود.
فرمالدئید یک VOC رایج است و از اقلام خانگی از جمله محصولات چوبی فشرده (مانند MDF)، کاغذ دیواری و رنگ و برخی پارچه های مصنوعی آزاد می شود. در بیشتر موارد، سطوح فرمالدئید آزاد شده توسط این اقلام کم است، اما سطوح آن می تواند در طول زمان افزایش یابد، به خصوص در گاراژهایی که رنگ و سایر محصولات ساطع کننده فرمالدئید به احتمال زیاد ذخیره می شوند.
بر اساس گزارش سال 2019 کمپین روز هوای پاک، یک پنجم خانوارهای بریتانیا غلظت قابل توجهی از فرمالدئید را نشان دادند، به طوری که 13 درصد از خانه ها بیش از حد توصیه شده توسط سازمان بهداشت جهانی (WHO) بودند.
پروفسور توفیق حسن از گرافن کمبریج گفت: “VOCهایی مانند فرمالدئید می توانند با قرار گرفتن در معرض طولانی مدت حتی در غلظت های پایین منجر به مشکلات جدی برای سلامتی شوند، اما حسگرهای فعلی حساسیت یا انتخاب پذیری لازم را ندارند تا بین VOC هایی که اثرات مختلف سلامتی دارند، تشخیص دهند.” مرکز، که مطالعه را رهبری کرد.
ژو چن، نویسنده اول این مقاله گفت: ما می‌خواستیم حسگری بسازیم که کوچک باشد و قدرت زیادی مصرف نکند، اما بتواند فرمالدئید را در غلظت‌های پایین تشخیص دهد.
محققان حسگرهای خود را بر اساس آئروژل ها قرار دادند: مواد فوق سبک که گاهی اوقات “دود مایع” نامیده می شود زیرا بیش از 99٪ از نظر حجمی هوا هستند. ساختار باز ایروژل ها اجازه می دهد تا گازها به راحتی وارد و خارج شوند. با طراحی دقیق شکل یا مورفولوژی سوراخ ها، آئروژل ها می توانند به عنوان حسگرهای بسیار کارآمد عمل کنند.
محققان کمبریج با همکاری همکاران خود در دانشگاه وارویک، ترکیب و ساختار آئروژل ها را بهینه کردند تا حساسیت آن ها به فرمالدئید را افزایش دهند و آنها را به الیافی در حدود سه برابر پهن تر از موی انسان تبدیل کنند. محققان خطوطی را روی خمیری از گرافن که شکلی دو بعدی از کربن است پرینت سه بعدی کردند و سپس خمیر گرافن را در حالت انجمادی خشک کردند تا سوراخ‌هایی در ساختار آئروژل نهایی ایجاد شود. ایروژل ها همچنین دارای نیمه هادی های کوچکی هستند که به عنوان نقاط کوانتومی شناخته می شوند.
حسگرهایی که آنها توسعه دادند قادر به تشخیص فرمالدئید در غلظت 8 قسمت در میلیارد بودند که 0.4 درصد سطحی است که در محل کار بریتانیا ایمن در نظر گرفته می شود. سنسورها همچنین در دمای اتاق کار می کنند و انرژی بسیار کمی مصرف می کنند.
چن گفت: «سنسورهای گاز سنتی نیاز به گرم شدن دارند، اما به دلیل روشی که ما مواد را مهندسی کرده‌ایم، حسگرهای ما در دمای اتاق فوق‌العاده خوب کار می‌کنند، بنابراین بین 10 تا 100 برابر انرژی کمتری نسبت به سایر حسگرها مصرف می‌کنند.
برای بهبود گزینش پذیری، محققان سپس الگوریتم های یادگیری ماشین را در حسگرها گنجانیدند. الگوریتم هایی برای تشخیص «اثر انگشت» گازهای مختلف آموزش داده شدند تا حسگر بتواند اثر انگشت فرمالدئید را از سایر VOC ها تشخیص دهد.
حسن گفت: «آشکارسازهای VOC موجود ابزارهای بی‌حرکتی هستند—شما فقط یک عدد برای غلظت کل در هوا دریافت می‌کنید. با ساخت سنسوری که قادر به تشخیص VOC های خاص در غلظت های بسیار کم در زمان واقعی است، می تواند تصویر دقیق تری از کیفیت هوا و خطرات احتمالی سلامتی را به صاحبان خانه و مشاغل ارائه دهد.
محققان می گویند که از همین روش می توان برای توسعه حسگرهایی برای شناسایی سایر VOC ها استفاده کرد. در تئوری، دستگاهی به اندازه یک آشکارساز استاندارد مونوکسید کربن خانگی می‌تواند تعداد زیادی حسگر مختلف را در خود جای دهد و اطلاعات بی‌درنگ در مورد طیف وسیعی از گازهای خطرناک مختلف ارائه دهد. تیم Warwick در حال توسعه یک پلتفرم چند حسگر ارزان قیمت است که این مواد جدید آئروژل را در خود جای داده و در ترکیب با الگوریتم های هوش مصنوعی، VOC های مختلف را شناسایی می کند.
چن گفت: “با استفاده از مواد بسیار متخلخل به عنوان یک عنصر حسگر، ما در حال کشف راه های کاملا جدیدی برای تشخیص مواد خطرناک در محیط خود هستیم.”
این تحقیق تا حدی توسط مؤسسه هنری رویس و شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی (EPRSC)، بخشی از تحقیقات و نوآوری بریتانیا (UKRI) پشتیبانی شد. توفیق حسن عضو کالج چرچیل، کمبریج است.
