Questo nanotubo ha il naso giusto per l'ossigeno
Il sensore ad alte prestazioni attivato dalla luce è in grado di rilevare con precisione l'ossigeno in miscele di gas complesse
I ricercatori dell'ETH stanno sviluppando un sensore a basso costo fatto di nanotubi di carbonio che può misurare in modo selettivo, efficiente e affidabile minime quantità di ossigeno in miscele di gas sotto la luce. Il sensore potrebbe essere ampiamente utilizzato come rivelatore nell'industria, nella medicina e nel monitoraggio ambientale.
L'ossigeno è essenziale per la vita ed è un attore reattivo in molti processi chimici. Di conseguenza, i metodi che misurano accuratamente l'ossigeno sono importanti per numerose applicazioni industriali e mediche: Analizzano i gas di scarico dei processi di combustione, consentono la lavorazione senza ossigeno di alimenti e farmaci, monitorano il contenuto di ossigeno nell'aria che respiriamo o la saturazione del sangue.
Le analisi dell'ossigeno svolgono un ruolo sempre più importante anche nel monitoraggio ambientale. "Tuttavia, tali misurazioni richiedono solitamente dispositivi ingombranti, dispendiosi in termini di energia e costosi, difficilmente adatti ad applicazioni mobili o all'uso continuo all'aperto", spiega Máté Bezdek, professore di chimica di coordinazione funzionale al Politecnico di Zurigo. Il suo gruppo utilizza metodi di progettazione molecolare per trovare nuovi sensori per i gas ambientali.
Nel caso dell'ossigeno, il gruppo di Bezdek ci è riuscito: In uno studio pubblicato sulla rivista Advanced Science, i ricercatori hanno presentato un sensore ad alte prestazioni attivato dalla luce, in grado di rilevare con precisione l'ossigeno in miscele di gas complesse e con le proprietà necessarie per l'uso sul campo.
Un tuttofare senza compromessi
Lionel Wettstein, dottorando del gruppo di Bezdek e primo autore dello studio, spiega: "I metodi di misurazione convenzionali spesso scendono a compromessi per ottenere un'elevata sensibilità". Ad esempio, esistono sensori molto sensibili all'ossigeno, ma che consumano molta energia e sono disturbati da fattori ambientali come l'umidità. Altri tollerano i gas di disturbo, ma sono meno sensibili e si consumano rapidamente. "I dispositivi fissi, i campioni complessi e i costi elevati limitano inoltre le possibili applicazioni", afferma Wettstein.
Il nuovo sensore, invece, è un pratico tuttofare: è molto sensibile, rileva l'ossigeno in mezzo a un milione di altre molecole, ma funziona in modo affidabile anche a concentrazioni più elevate. È anche selettivo, cioè tollera l'umidità e altri gas interferenti, e ha una lunga durata. Infine, è minuscolo, ma poco costoso, facile da usare e consuma pochissima energia.
Ciò rende il sensore miniaturizzato interessante per i dispositivi portatili e per le misurazioni mobili in tempo reale sul campo, ad esempio per l'analisi dei gas di scarico delle automobili o per il rilevamento precoce di alimenti avariati. Il rilevatore è adatto anche per il monitoraggio continuo di laghi, fiumi e terreni utilizzando reti di sensori distribuite su larga scala. "Il contenuto di ossigeno in questi ecosistemi è un importante indicatore della salute ecologica", spiega Wettstein.
Misurare le molecole con i nanotubi
Per ottenere le proprietà desiderate, il gruppo di Bezdek ha progettato specificamente il sensore a partire da componenti molecolari. Appartiene alla classe dei chemiresistori: si tratta di minuscoli circuiti elettrici con un materiale attivo che interagisce direttamente con la molecola da analizzare, modificandone la resistenza elettrica. "Il grande vantaggio è che questo segnale è molto facile da misurare", spiega Bezdek.
I ricercatori hanno scelto un composito di biossido di titanio e nanotubi di carbonio come base per il materiale del sensore. Il biossido di titanio può servire come resistenza chimica, ma ha lo svantaggio di funzionare solo a temperature molto elevate. "Per questo motivo, abbiamo incorporato i nanotubi di carbonio nel materiale composito", riferisce Bezdek.
I nanotubi costituiscono la piattaforma a risparmio energetico: garantiscono che la reazione del sensore avvenga a temperatura ambiente e non richieda riscaldamento. Infine, per garantire che il materiale del sensore possa distinguere in modo affidabile l'ossigeno dagli altri gas, il team si è ispirato alle celle solari sensibilizzate con coloranti: In queste celle solari, speciali molecole di colorante, chiamate fotosensibilizzatori, raccolgono l'energia luminosa e la convertono in elettricità.
I ricercatori hanno trasferito questo principio funzionale al loro sensore: in presenza di luce verde, il fotosensibilizzatore trasferisce elettroni al materiale composito costituito da biossido di titanio e nanotubi. Questo attiva il materiale e lo rende specificamente sensibile all'ossigeno. "A differenza di altri gas, l'ossigeno ostacola il trasferimento di carica nel sensore attivato, modificandone la resistenza: questa è la base della reazione del sensore", riassume Wettstein.
Dal laboratorio al campo
I ricercatori hanno già richiesto un brevetto per la loro tecnologia di sensori e sono ora alla ricerca di partner industriali per sviluppare ulteriormente la tecnologia. Si stima che i sensori durevoli e affidabili che misurano specificamente l'ossigeno nelle miscele di gas abbiano un volume di mercato annuale di circa 1,4 miliardi di dollari USA.
Il team sta ora lavorando per applicare il concetto di sensore oltre all'ossigeno ad altri gas ambientali che svolgono un importante ruolo ecologico. "Il nostro materiale per sensori ha una struttura modulare: vogliamo cambiare la composizione chimica dei componenti in modo da poter rilevare anche altre molecole target", spiega Bezdek.
Uno dei temi attuali del suo gruppo è il rilevamento degli inquinanti a base di azoto che causano un'eccessiva fertilizzazione in agricoltura e inquinano il suolo e l'acqua. "Per ridurre l'impronta ecologica del settore agricolo, abbiamo bisogno di sensori che consentano una fertilizzazione precisa dei campi", sottolinea Bezdek.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
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