Sensores fabricados con "humo congelado" pueden detectar formaldehído tóxico en hogares y oficinas
Los sensores de prueba de concepto podrían adaptarse para detectar una amplia gama de gases peligrosos
Unos investigadores han desarrollado un sensor fabricado con "humo congelado" que utiliza técnicas de inteligencia artificial para detectar formaldehído en tiempo real en concentraciones tan bajas como ocho partes por billón, muy por encima de la sensibilidad de la mayoría de los sensores de calidad del aire interior.
El formaldehído es un COV común y lo emiten artículos domésticos como productos de madera prensada (como los MDF), papeles pintados y pinturas, y algunos tejidos sintéticos (imagen simbólica).
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Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, desarrollaron sensores a partir de materiales muy porosos conocidos como aerogeles. Diseñando con precisión la forma de los agujeros de los aerogeles, los sensores pudieron detectar la huella dactilar del formaldehído, un contaminante habitual del aire interior, a temperatura ambiente.
Estos sensores de prueba, que requieren una potencia mínima, podrían adaptarse para detectar una amplia gama de gases peligrosos y miniaturizarse para aplicaciones portátiles y sanitarias. Los resultados se publican en la revista Science Advances.
Los compuestos orgánicos volátiles (COV) son una de las principales fuentes de contaminación del aire en interiores y, a niveles elevados, provocan lagrimeo, ardor en los ojos y la garganta y dificultad para respirar. Las concentraciones elevadas pueden desencadenar ataques en personas asmáticas, y la exposición prolongada puede causar ciertos cánceres.
El formaldehído es un COV común y es emitido por artículos domésticos como productos de madera prensada (como MDF), papeles pintados y pinturas, y algunos tejidos sintéticos. En su mayor parte, los niveles de formaldehído emitidos por estos artículos son bajos, pero los niveles pueden acumularse 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 del Reino Unido mostraba concentraciones notables de formaldehído, y el 13% de las residencias superaba el límite recomendado establecido por la Organización Mundial de la Salud (OMS).
"Los COV como el formaldehído pueden provocar graves problemas de salud con una exposición prolongada, incluso a bajas concentraciones, pero los sensores actuales no tienen la sensibilidad ni la selectividad necesarias para distinguir entre los COV que tienen distintos efectos sobre la salud", explica el profesor Tawfique Hasan, del Centro de Grafeno de Cambridge, que dirigió la investigación.
"Queríamos desarrollar un sensor que fuera pequeño y no consumiera mucha energía, pero que pudiera detectar selectivamente el formaldehído a bajas concentraciones", explica Zhuo Chen, primer autor del trabajo.
Los investigadores basaron sus sensores en aerogeles: materiales ultraligeros a los que a veces se denomina "humo líquido", ya que contienen más de un 99% de aire en volumen. La estructura abierta de los aerogeles permite que los gases entren y salgan fácilmente. Si se diseña con precisión la forma o morfología de los agujeros, los aerogeles pueden actuar como sensores muy eficaces.
En colaboración 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 una anchura tres veces superior a la de un cabello humano. Los investigadores imprimieron en 3D líneas de una pasta hecha de grafeno, una forma bidimensional del carbono, y luego liofilizaron la pasta de grafeno para formar los agujeros de la estructura final del aerogel. Los aerogeles también incorporan semiconductores diminutos conocidos como puntos cuánticos.
Los sensores que desarrollaron eran capaces de detectar formaldehído en concentraciones tan bajas como ocho partes por billón, lo que equivale al 0,4 por ciento del nivel considerado seguro en los lugares de trabajo del Reino Unido. Además, los sensores funcionan a temperatura ambiente y consumen muy poca energía.
"Los sensores de gas tradicionales necesitan calentarse, pero gracias a la forma en que hemos diseñado los materiales, nuestros sensores funcionan increíblemente bien a temperatura ambiente, por lo que consumen entre 10 y 100 veces menos energía que otros sensores", explica Chen.
Para mejorar la selectividad, los investigadores incorporaron algoritmos de aprendizaje automático a los sensores. Los algoritmos se entrenaron para detectar la "huella dactilar" de distintos gases, de modo que el sensor fue capaz de distinguir la huella dactilar del formaldehído de otros COV.
"Los detectores de COV existentes son instrumentos sin filo: sólo se obtiene una cifra de la concentración total en el aire", explica Hasan. "Al construir un sensor capaz de detectar COV específicos en concentraciones muy bajas en tiempo real, puede dar 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 afirman que la misma técnica podría utilizarse 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 en su interior, proporcionando información en tiempo real sobre una serie de gases peligrosos diferentes. El equipo de Warwick está desarrollando una plataforma multisensor de bajo coste que incorporará estos nuevos materiales de aerogel y, combinados con algoritmos de inteligencia artificial, detectará distintos COV.
"Al utilizar materiales muy porosos como elemento sensor, estamos abriendo nuevas vías para detectar materiales peligrosos en nuestro entorno", afirma Chen.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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