In een kleurrijke oplossing voor een gevaarlijk probleem passen Australische wetenschappers een component van geavanceerde zonnecellen aan om een snel, op licht gebaseerd detectiesysteem voor dodelijke gifstoffen te ontwerpen.
Hoewel het gebruik van chemische middelen zoals zwavelmosterd – beter bekend als mosterdgas – internationaal verboden is, vertrouwen we op andere strikt gecontroleerde chemicaliën voor de landbouw, de industrie en gedurende ons dagelijks leven, waaronder ontsmettingsmiddelen zoals methyljodide, dat wordt gebruikt om insecten en schimmels. Verkeerde hoeveelheden of onjuist gebruik van deze ontsmettingsmiddelen kunnen schadelijk zijn voor mensen en de ozonlaag aantasten.
Omdat het onzichtbaar is en niet ruikt, is het moeilijk te zeggen of er gevaarlijke hoeveelheden methyljodide aanwezig zijn, en tot nu toe was de beste manier om het te testen in een laboratorium met dure, gecompliceerde apparatuur, wat bij veel mensen niet praktisch is. real-world instellingen. Er zijn enkele goedkopere, lichtgewicht detectiemethoden geprobeerd, maar deze hadden niet voldoende gevoeligheid en het duurde te lang voordat ze resultaten opleverden.
Nu heeft onderzoek geleid door het ARC Center of Excellence in Exciton Science een manier gevonden om methyljodide te detecteren door middel van kleurveranderingen, met – voor het eerst – de nauwkeurigheid, flexibiliteit en snelheid die nodig zijn voor praktisch gebruik. Belangrijk is dat dit nieuwe detectiemechanisme veelzijdig genoeg is om te worden gebruikt bij het detecteren van een breed scala aan ontsmettingsmiddelen en middelen voor chemische oorlogsvoering.
In samenwerking met het Australische nationale wetenschappelijke agentschap CSIRO en het ministerie van Defensie, leenden de onderzoekers een nieuwe technologie die wordt gebruikt om zonne-energie te verbeteren – synthetische nanokristallen op basis van een perovskietstructuur – en maakten er een detectiemethode van.
Hun benadering is gebaseerd op het feit dat deze sterk fluorescerende nanokristallen reageren met het ontsmettingsmiddel, waardoor de kleur van het licht dat ze uitstralen verandert. De aanwezigheid van methyljodide zorgt ervoor dat de emissie van nanokristallen verschuift van groen naar geel en vervolgens naar oranje, rood en ten slotte dieprood, afhankelijk van de aanwezige hoeveelheid ontsmettingsmiddel.
“Perovskiet nanokristallen zijn een zeer efficiënte lichtzender gebleken”, zei hoofdauteur Dr. Wenping Yin van Monash University.
“Hier hebben we laten zien dat methyljodide kan reageren met dergelijke perovskieten, en dat heel snel na een eenvoudige chemische activeringsstap. Cruciaal is dat deze activeringsstap de reactietijd van de sensor verkort van enkele uren tot slechts enkele seconden.”
In dit proces veranderen de ionen die de nanokristallen vormen snel wanneer ze worden blootgesteld aan het methyljodide dat wordt veroorzaakt door een chemische reactie.
De reactie omvat het uitwisselen van bromide met jodide in het nanokristal zelf, wat resulteert in de kleurverandering.
Uiteindelijk hebben de onderzoekers kunnen aantonen dat de kleurverandering afhankelijk is van de perovskiet nanokristallen en methyljodide concentraties.
“Hoewel het chemische mechanisme erg ingewikkeld is, is het resultaat slechts een kleurverandering van het licht dat door de nanokristallen wordt geproduceerd, wat heel gemakkelijk te detecteren is”, zei Wenping.
Het nieuwe mechanisme heeft het grootste bereik, de hoogste gevoeligheid en de snelste respons ooit bereikt voor een techniek die niet afhankelijk is van dure laboratoriuminstrumenten, en die resultaten produceert in ongeveer vijf seconden bij kamertemperatuur.
De onderzoekers hopen nu dat hun bevindingen een platform zullen bieden voor het bouwen van een testapparaat dat kan worden gebruikt in echte toepassingen.
Senior auteur Professor Jacek Jasieniak zei: “We hebben het fundamentele mechanisme begrepen voor wat nodig is om deze colorimetrische detectie te ondergaan. Nu gaat het om het bouwen van een prototype van een detectieapparaat.
“Het heeft verdere ontwikkeling nodig om zijn ware potentieel te realiseren voor bredere detectie van verschillende soorten methylhalogenidesoorten, evenals pesticiden en chemische oorlogsmiddelen, zoals traangas en mosterdgas, maar de weg is gezet.”
Dr. Genevieve Dennison, defensiewetenschapper en Industry Partner Investigator, zei: “We zijn erg enthousiast over het potentieel van dit werk en kijken er naar uit om de technologie toe te passen om ons leger en eerstehulpverleners te beschermen.”
Wenping Yin et al. Detectie van halomethanen met behulp van cesium-loodhalogenide-perovskiet-nanokristallen, ACS Nano (2021). DOI: 10.1021 / acsnano.0c08794
ACS Nano
Geleverd door ARC Center of Excellence in Exciton Science