'얼어붙은 연기'로 만든 센서로 가정과 사무실에서 독성 포름알데히드를 감지 할 수 있습니다.

연구원들은 인공 지능 기술을 사용하여 대부분의 실내 공기 질 센서의 감도를 훨씬 뛰어넘는 8ppb만큼 낮은 농도에서 포름알데히드를 실시간으로 감지하는 ‘얼어붙은 연기’로 만든 센서를 개발했습니다.

케임브리지 대학의 연구원들은 에어로겔로 알려진 다공성 물질로 만든 센서를 개발했습니다. 에어로겔의 구멍 모양을 정밀하게 설계함으로써 센서는 실내 온도에서 일반적인 실내 공기 오염 물질인 포름알데히드의 지문을 감지할 수 있었습니다.

최소한의 전력이 필요한 개념 증명 센서는 광범위한 유해 가스를 감지하도록 조정될 수 있으며 웨어러블 및 의료 응용 분야에 맞게 소형화될 수도 있습니다. 결과는 저널에 보고됩니다. 과학 발전.

휘발성 유기 화합물(VOC)은 실내 공기 오염의 주요 원인으로, 눈에 눈물이 흐르고, 눈과 목이 화끈거리며, 높은 수준에서 호흡 곤란을 유발합니다. 고농도는 천식 환자에게 발작을 유발할 수 있으며, 장기간 노출되면 특정 암이 발생할 수 있습니다.

포름알데히드는 일반적인 VOC이며 압축 목재 제품(예: MDF), 벽지 및 페인트, 일부 합성 직물을 포함한 가정 용품에서 배출됩니다. 대부분의 경우 이러한 품목에서 방출되는 포름알데히드의 수준은 낮지만 시간이 지남에 따라 수준이 높아질 수 있으며, 특히 페인트 및 기타 포름알데히드 방출 제품을 보관할 가능성이 높은 차고에서는 수준이 더욱 높아질 수 있습니다.

캠페인 그룹인 Clean Air Day의 2019년 보고서에 따르면, 영국 가구의 5분의 1이 주목할 만한 포름알데히드 농도를 나타냈으며, 거주지의 13%가 세계보건기구(WHO)가 정한 권장 한도를 초과했습니다.

“포름알데히드와 같은 VOC는 낮은 농도에서도 장기간 노출되면 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있지만 현재 센서는 건강에 서로 다른 영향을 미치는 VOC를 구별할 수 있는 감도나 선택성이 없습니다”라고 Cambridge Graphene의 Tawfique Hasan 교수는 말했습니다. 연구를 주도한 센터.

논문의 제1저자인 Zhuo Chen은 “우리는 작고 전력을 많이 사용하지 않으면서 낮은 농도에서 포름알데히드를 선택적으로 감지할 수 있는 센서를 개발하고 싶었습니다.”라고 말했습니다.

연구원들은 에어로겔에 센서를 기반으로 했습니다. 초경량 물질은 부피 기준으로 99% 이상이 공기이기 때문에 ‘액체 연기’라고도 합니다. 에어로겔의 개방형 구조로 인해 가스가 쉽게 들어오고 나갈 수 있습니다. 구멍의 모양이나 형태를 정확하게 엔지니어링함으로써 에어로겔은 매우 효과적인 센서 역할을 할 수 있습니다.

케임브리지 연구진은 워릭 대학(Warwick University)의 동료들과 협력하여 에어로겔의 구성과 구조를 최적화하여 포름알데히드에 대한 민감도를 높이고 인간 머리카락 너비의 약 3배에 달하는 필라멘트로 만들었습니다. 연구진은 2차원 형태의 탄소인 그래핀으로 만든 페이스트의 라인을 3D로 인쇄한 다음 그래핀 페이스트를 동결 건조하여 최종 에어로겔 구조에 구멍을 형성했습니다. 에어로겔에는 양자점(Quantum Dot)으로 알려진 작은 반도체도 포함되어 있습니다.

그들이 개발한 센서는 영국 작업장에서 안전하다고 간주되는 수준의 0.4%인 8ppb 수준의 낮은 농도에서도 포름알데히드를 감지할 수 있었습니다. 센서는 실온에서도 작동하며 전력 소모가 매우 낮습니다.

Chen은 “기존 가스 센서는 가열해야 하지만 우리가 재료를 엔지니어링한 방식 때문에 우리 센서는 실온에서 놀라울 정도로 잘 작동하므로 다른 센서보다 10~100배 적은 전력을 사용합니다”라고 말했습니다.

선택성을 향상시키기 위해 연구원들은 기계 학습 알고리즘을 센서에 통합했습니다. 알고리즘은 다양한 가스의 ‘지문’을 감지하도록 훈련되어 센서가 포름알데히드의 지문을 다른 VOC와 구별할 수 있었습니다.

“기존 VOC 감지기는 무딘 장비입니다. 공기 중 전체 농도에 대해 하나의 숫자만 얻을 수 있습니다”라고 Hasan은 말했습니다. “실시간으로 매우 낮은 농도의 특정 VOC를 감지할 수 있는 센서를 구축함으로써 가정과 사업주에게 공기 질과 잠재적인 건강 위험에 대한 보다 정확한 정보를 제공할 수 있습니다.”

연구원들은 동일한 기술을 사용하여 다른 VOC를 감지하는 센서를 개발할 수 있다고 말합니다. 이론적으로 표준 가정용 일산화탄소 감지기 크기의 장치에는 여러 개의 서로 다른 센서가 통합되어 다양한 위험 가스에 대한 실시간 정보를 제공할 수 있습니다. Warwick 팀은 이러한 새로운 에어로젤 재료를 통합하고 AI 알고리즘과 결합하여 다양한 VOC를 감지하는 저가형 다중 센서 플랫폼을 개발하고 있습니다.

Chen은 “다공성 물질을 감지 요소로 사용함으로써 환경에서 유해 물질을 감지하는 완전히 새로운 방법을 열었습니다”라고 말했습니다.

이 연구는 헨리 로이스 연구소(Henry Royce Institute)와 UKRI(UK Research and Innovation)의 일부인 EPSRC(Engineering and Physical Sciences Research Council)의 일부 지원을 받았습니다. Tawfique Hasan은 케임브리지 처칠 대학의 연구원입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/02/240209163427.htm