Des capteurs fabriqués à partir de "fumée congelée" peuvent détecter le formaldéhyde toxique dans les habitations et les bureaux
Les capteurs de démonstration pourraient être adaptés à la détection d'une large gamme de gaz dangereux
Des chercheurs ont mis au point un capteur fabriqué à partir de "fumée gelée" qui utilise des techniques d'intelligence artificielle pour détecter le formaldéhyde en temps réel à des concentrations aussi faibles que huit parties par milliard, bien au-delà de la sensibilité de la plupart des capteurs de qualité de l'air intérieur.
Le formaldéhyde est un COV courant et est émis par des articles ménagers tels que les produits en bois pressé (comme le MDF), les papiers peints et les peintures, ainsi que certains tissus synthétiques (image symbolique).
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Les chercheurs de l'université de Cambridge ont mis au point des capteurs fabriqués à partir de matériaux très poreux appelés aérogels. En modifiant avec précision la forme des trous dans les aérogels, les capteurs ont pu détecter l'empreinte digitale du formaldéhyde, un polluant courant de l'air intérieur, à température ambiante.
Ces capteurs, qui nécessitent une alimentation minimale, pourraient être adaptés à la détection d'une large gamme de gaz dangereux et pourraient également être miniaturisés pour être portés sur soi ou utilisés dans le domaine de la santé. Les résultats sont publiés dans la revue Science Advances.
Les composés organiques volatils (COV) constituent une source majeure de pollution de l'air intérieur, provoquant des larmoiements, des brûlures dans les yeux et la gorge, et des difficultés respiratoires à des niveaux élevés. Des concentrations élevées peuvent déclencher des crises chez les personnes souffrant d'asthme, et une exposition prolongée peut provoquer certains cancers.
Le formaldéhyde est un COV courant et est émis par des articles ménagers tels que les produits en bois pressé (comme le MDF), les papiers peints et les peintures, ainsi que certains tissus synthétiques. La plupart du temps, les niveaux de formaldéhyde émis par ces articles sont faibles, mais ils peuvent s'accumuler au fil du temps, en particulier dans les garages où les peintures et autres produits émettant du formaldéhyde sont plus susceptibles d'être stockés.
Selon un rapport de 2019 du groupe de campagne Clean Air Day, un cinquième des ménages britanniques présentaient des concentrations notables de formaldéhyde, 13 % des résidences dépassant la limite recommandée par l'Organisation mondiale de la santé (OMS).
"Les COV tels que le formaldéhyde peuvent entraîner de graves problèmes de santé en cas d'exposition prolongée, même à de faibles concentrations, mais les capteurs actuels n'ont pas la sensibilité ou la sélectivité nécessaires pour distinguer les COV qui ont des effets différents sur la santé", a déclaré le professeur Tawfique Hasan du Centre du graphène de Cambridge, qui a dirigé les travaux de recherche.
"Nous voulions mettre au point un capteur petit et peu gourmand en énergie, mais capable de détecter sélectivement le formaldéhyde à de faibles concentrations", explique Zhuo Chen, premier auteur de l'article.
Les chercheurs ont basé leurs capteurs sur les aérogels : des matériaux ultralégers parfois appelés "fumée liquide", car ils sont constitués à plus de 99 % d'air en volume. La structure ouverte des aérogels permet aux gaz d'entrer et de sortir facilement. En modifiant avec précision la forme, ou morphologie, des trous, les aérogels peuvent servir de capteurs très efficaces.
En collaboration avec des collègues de l'université de Warwick, les chercheurs de Cambridge ont optimisé la composition et la structure des aérogels afin d'accroître leur sensibilité au formaldéhyde, en les transformant en filaments d'environ trois fois la largeur d'un cheveu humain. Les chercheurs ont imprimé en 3D des lignes d'une pâte de graphène, une forme bidimensionnelle de carbone, puis ont lyophilisé la pâte de graphène pour former les trous dans la structure finale de l'aérogel. Les aérogels intègrent également de minuscules semi-conducteurs appelés points quantiques.
Les capteurs qu'ils ont mis au point sont capables de détecter le formaldéhyde à des concentrations aussi faibles que huit parties par milliard, soit 0,4 % du niveau jugé sûr sur les lieux de travail au Royaume-Uni. Les capteurs fonctionnent également à température ambiante et consomment très peu d'énergie.
"Les capteurs de gaz traditionnels doivent être chauffés, mais grâce à la façon dont nous avons conçu les matériaux, nos capteurs fonctionnent incroyablement bien à température ambiante, de sorte qu'ils consomment entre 10 et 100 fois moins d'énergie que les autres capteurs", a déclaré M. Chen.
Pour améliorer la sélectivité, les chercheurs ont ensuite intégré des algorithmes d'apprentissage automatique dans les capteurs. Les algorithmes ont été formés à la détection de l'"empreinte digitale" des différents gaz, de sorte que le capteur a pu distinguer l'empreinte digitale du formaldéhyde de celle d'autres COV.
"Les détecteurs de COV existants sont des instruments émoussés : ils ne donnent qu'un seul chiffre pour la concentration globale dans l'air", a déclaré M. Hasan. "En construisant un capteur capable de détecter des COV spécifiques à de très faibles concentrations en temps réel, on peut donner aux propriétaires de maisons et d'entreprises une image plus précise de la qualité de l'air et des risques potentiels pour la santé.
Les chercheurs affirment que la même technique pourrait être utilisée pour développer des capteurs capables de détecter d'autres COV. En théorie, un dispositif de la taille d'un détecteur de monoxyde de carbone domestique standard pourrait intégrer plusieurs capteurs différents et fournir des informations en temps réel sur toute une série de gaz dangereux. L'équipe de Warwick met au point une plate-forme multicapteurs peu coûteuse qui intégrera ces nouveaux matériaux d'aérogel et qui, associée à des algorithmes d'intelligence artificielle, détectera différents COV.
"En utilisant des matériaux très poreux comme éléments de détection, nous ouvrons de toutes nouvelles voies pour la détection des matières dangereuses dans notre environnement", a déclaré M. Chen.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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