Küresel bir su krizi var ve bu sadece temiz su arzının azalmasıyla ilgili değil. Kirlenmiş içme suyu, dünya çapında yüz milyonlarca insanı bakteri, ağır metaller, böcek ilaçları ve koronavirüsler gibi toksinlere maruz bırakıyor. Bu kirlilik halk sağlığını tehlikeye atmakta ve ciddi hastalıklara neden olabilmektedir.
ABD Enerji Bakanlığı’nın Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndan bir araştırmacı ekibi, Chicago Üniversitesi’ndeki Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu ve Wisconsin Üniversitesi – Milwaukee ile birlikte kurşunu aynı anda tespit edebilen sensörlerin toplu üretimi için bir yol tasarladı. , cıva ve E. coli. akan musluk suyunda. Ekibin yeniliği, kontaminasyon için erken uyarı sağlayarak halk sağlığının korunmasına yardımcı olmayı vaat ediyor.
“Geleneksel olarak, sudaki kirleticileri ölçmek için tasarlanan sensörler, güvenilirlik sorunlarından ve hatalı cihazları tespit edememekten muzdariptir.” UChicago’nun Pritzker Moleküler Mühendisliği ile ortak bir randevusu olan Argonne bilim adamı Haihui Pu dedi. “Geliştirilmiş sensörler sağlık krizlerini önleyebilir.”
Bu sensörlerin merkezinde, bir silikon substrat üzerine kaplanmış bir grafen formu olan bir nanometre kalınlığında bir karbon ve oksijen atomları tabakası bulunur. Bu grafen malzemesi, bilgisayar çiplerinde bulunan yarı iletkenlere benzer bir amaca hizmet eder. Altın elektrotlar daha sonra grafen yüzeyine basılır ve ardından nanometre kalınlığında bir alüminyum oksit yalıtım tabakası gelir. Her sensör, üç toksinden birini tespit edecek şekilde uyarlanmıştır: kurşun, cıva veya E. coli.
Bu sensörlerin seri imalatındaki en büyük zorluklardan biri, kalitelerini değerlendirmektir. Ultra ince yalıtım katmanında istenmeyen küçük gözenekli alanlar oluşabilir. Bu gözeneklilik, alt grafen katmanından elektronların üst yalıtım katmanına kaçmasına izin verir. Bu sızıntı, bir yalıtkan olarak etkinliğinden ödün verir ve güvenilir olmayan sensör yanıtlarına neden olur.
Ekibin Nature Communications’daki son yayını, kusurlu cihazları seri üretimden önce belirlemek için bir tarama yöntemini açıklıyor. Yöntem, sensör suya daldırıldığında yalıtım katmanının elektriksel tepkisinin ölçülmesini içerir. Anahtar, taramanın sensöre zarar vermemesidir. Ekip, bu tekniği kullanarak yalıtım katmanlarındaki yapısal kusurları belirledi. Daha sonra hatalı cihazları kolayca tespit etmek için kriterler oluşturabildiler.
Ekip, yaklaşımlarının etkinliğini göstermek için akan musluk suyunda kurşun, cıva ve E. coli’yi aynı anda algılayabilen üç sensörlü bir diziyi değerlendirdi. Sonuçları analiz etmek için makine öğrenimi algoritmalarını kullanarak toksin seviyelerini, karışan unsurların varlığında bile milyarda bire kadar ölçebildiler.
“Sensörlerin güzelliği, onları sadece musluk suyuna değil, her türlü suya uygulayabilmenizdir.” dedi Argonne’nin baş su stratejisti ve Pritzker Molecular Engineering’de Crown Ailesi Profesörü Junhong Chen. “Üstelik, her biri farklı bileşenleri algılamak üzere uyarlanmış üç, otuz veya üç yüz sensörü birleştirebilirsiniz.” Bunlar arasında sadece ağır metaller ve bakteriler değil, aynı zamanda farmasötikler, böcek ilaçları, koronavirüsler ve sudaki yaygın bir kirletici, per- ve polifloroalkil maddeler yer alır. Piller için kobalt ve bitki ve hayvanlar için besin olarak nitrojen ve fosfor gibi kritik kaynakları da içerebilirler.
Sorunlu veya değerli unsurlar belirlenip ortadan kaldırıldığında, sensörler arıtılmış suyun temizliğini değerlendirmek için kullanılabilir. Sonuçlar, içme suyu kullanımı, tarım ve sulama, yeraltı suyu ikmali ve endüstriyel süreçler dahil olmak üzere suyun güvenli bir şekilde yeniden kullanılmasına rehberlik edebilir.
Chen, kurduğu bir başlangıç şirketi aracılığıyla bu teknolojiyi ticarileştirmeyi umduğunu ifade etti. “Ancak su kirliliği, toplu çaba gerektiren küresel bir sağlık sorunu oluşturuyor” dedi.
Ekibin tarama yöntemi, su kalitesini izlemek ve güvenli yeniden kullanımını optimize etmek için çok yönlü bir araç sunuyor. Bilim adamları bu kritik konuyu ele alırken, çabaları daha sağlıklı ve daha sürdürülebilir bir gelecek için bir umut ışığı olarak hizmet ediyor.
Bu araştırma Nature Communications’da yayınlandı. Argonne ve UChicago’nun Pritzker Moleküler Mühendisliği Okulu’ndan katkıda bulunanlar arasında Pu, Chen ve Xiaoyu Sui yer alıyor. Wisconsin-Milwaukee Üniversitesi’nden katkıda bulunanlar şunlardır: Arnab Maity, Jingbo Chang, Kai Bottum, Bing Jin, Guihua Zhou, Yale Wang ve Ganhua Lu.
Bu araştırma, Argonne’daki Laboratuvar Yönlendirmeli Araştırma ve Geliştirme programından ve Ulusal Bilim Vakfı’ndan destek aldı.
Kaynak: https://www.anl.gov/
Source: www.azonano.com