Las empresas de servicios de agua tienen un problema de Ricitos de Oro: si no agregan suficiente cloro, las bacterias desagradables que causan la fiebre tifoidea y el cólera sobreviven al proceso de purificación. Demasiado cloro produce subproductos de desinfección como el cloroformo, lo que aumenta el riesgo de cáncer. La cantidad de cloro necesitaser "justo" para el agua potable.
La Agencia de Protección Ambiental regula la cantidad de subproductos de desinfección, incluidos los conocidos como trihalometanos, están permitidos en nuestra agua potable. Pero si las empresas de servicios de agua desean monitorear y controlar sus propios niveles de trihalometano, tienen que enviar muestras y esperar semanaspara análisis por un laboratorio calificado por la EPA.
Trabajando con Parker Hannifin, Sandia National Laboratories combinó la investigación básica sobre una forma interesante de carbono con un microsensor único para hacer una herramienta de sobremesa fácil de usar que detecta rápida y económicamente niveles extremadamente bajos de cada trihalometano: cloroformo,bromoformo, bromodiclorometano y dibromoclorometano.
Las empresas de servicios públicos ya no necesitan enviar muestras a laboratorios calificados por la EPA, contratar a su propio químico altamente capacitado para realizar la prueba de la EPA o comprar un costoso sistema de espectrómetro de masas para monitorear rutinariamente sus niveles de trihalometano y garantizar agua potable más limpia para el público,dijo el científico de materiales Sandia Mike Siegal.
Recientemente, Parker Hannifin lanzó una versión en línea automatizada del analizador de agua para el monitoreo continuo de trihalometanos.
recubrimientos de carbono frescos y controlables
El objetivo original del proyecto era hacer un laboratorio de química de mano, como un tricorder, para detectar productos químicos peligrosos en el aire, incluidas las armas químicas. Un componente principal de este laboratorio en un chip era un sensor de onda acústica de superficieEste sensor SAW funciona haciendo vibrar una onda a lo largo de una lámina de cuarzo, dijo el químico analista Curtis Mowry. Al medir cómo cambia la onda en el dispositivo SAW, los investigadores pueden determinar cuántos químicos se adhieren a la superficie del cuarzo.
En cierto modo, es similar a jugar con un paracaídas en el patio de recreo. Aquellos que sostienen el paracaídas pueden notar la diferencia entre un montón de bolas o un niño por cómo se mueve el paracaídas cuando lo sacuden. Sin embargo, la superficie de cuarzo no es muypegajoso, lo que limita su sensibilidad. Aquí es donde entra un recubrimiento especial de carbono.
El carbono natural puede aparecer como diamantes exóticos, grafito común compuesto de muchas capas de láminas de grafeno y muchas otras formas. El carbono nanoporoso consiste en nanofragmentos apilados de láminas de grafeno, diseñados con muchos rincones y grietas donde los químicos pueden alojarse. A diferencia de los nanotubos de carbonoo grafeno con superficies similares "pegajosas" molecularmente, el carbono nanoporoso se puede cultivar en casi cualquier cosa, incluidos los dispositivos SAW, dijo Siegal.
Este proceso de crecimiento, conocido como deposición de láser pulsado, implica zapping de grafito con un láser a temperatura ambiente. Los átomos de carbono liberados vuelan a través de una cámara de vacío para recubrir el sensor SAW de manera uniforme y reproducible. Al agregar un poco degas inerte a la cámara de vacío, Siegal puede controlar y variar la densidad y el área de superficie total de los recubrimientos de carbono nanoporosos de muy esponjoso a tan sólido como el grafito puro.
Para los sensores SAW, el carbono nanoporoso con una densidad media resulta ser el mejor. Solo tres gramos de dicho carbono nanoporoso tienen tanta superficie como un campo de fútbol, pero son lo suficientemente rígidos como para funcionar con los sensores SAW.
Para extender la metáfora del paracaídas, el carbono nanoporoso es como Velcro, capturando cada bola que toca el paracaídas. Siegal dijo: "La primera vez que aplicamos el revestimiento de carbono, resultó ser mil veces mejor que cualquier revestimiento orgánico que Sandia, o cualquier otra persona, había estudiado alguna vez para adsorber productos químicos volátiles ".
Mowry agregó: "La combinación ganadora fue asociarse con Siegal y sus recubrimientos de carbono nanoporosos y usar dispositivos SAW más grandes y casi retro". Para los dispositivos SAW, y para la mayoría de los electrónicos, más pequeño es mejor y más nuevo. En ese momento,Las SAW más nuevas y más pequeñas de Sandia utilizaron vibraciones de frecuencia más alta con microelectrónica más avanzada. Sin embargo, también eran más caras, más difíciles de fabricar y menos confiables. Usando dispositivos más grandes, aproximadamente las dimensiones de un Tic Tac, que eran de última generación.en los años 90, fue fácil aplicar el recubrimiento de carbono nanoporoso, que aumentó la sensibilidad mil veces más que disminuir el tamaño, y disminuyó drásticamente el costo del dispositivo.
El viaje de la ciencia básica al producto comercial para el bien público
El viaje comenzó en 2002, basándose en años de investigación y desarrollo de sensores químicos. Mowry estaba tratando de desarrollar un sensor para detectar contaminantes orgánicos volátiles, como productos químicos de un derrame industrial o fugas, en el agua. Su presentación ante la calidad del aguaLa conferencia llamó la atención de un ingeniero de Parker Hannifin y condujo a la asociación en 2006.
Tomó varios años cruzar el "valle de la muerte" desde una investigación prometedora hasta un producto comercial, pero en 2011 Parker Hannifin lanzó su primer analizador de agua de trihalometano. La segunda versión en línea del analizador puede monitorear automáticamente los niveles individuales de trihalometano cada hora.Parker Hannifin tiene más analizadores de trihalometano dedicados instalados en América del Norte que cualquier otra empresa.
El analizador fue nominado a los Premios R & D100 en 2012.
Otros usos potenciales de los sensores SAW con recubrimiento de carbono nanoporoso incluyen la detección de explosivos caseros, contaminantes en el aire y el agua y casi cualquier compuesto orgánico volátil o semivolátil, dijo Mowry.
Además, Siegal y otros están explorando el uso de carbono nanoporoso para ánodos de batería. El colega de Siegal y Sandia Labs, Graham Yelton, demostró los primeros pasos hacia baterías viables de iones de magnesio, que serían más densas en energía que las baterías de iones de litio.a autos eléctricos que pueden llegar más lejos, baterías de teléfonos celulares de mayor duración, incluso satélites con misiones más largas. La investigadora de Sandia Katie Harrison y Siegal han continuado el trabajo agregando silicio a los ánodos de las baterías de iones de litio, lo que podría triplicar su densidad de almacenamiento de energía.
El trabajo inicial y de seguimiento de Siegal, Mowry y sus equipos fue financiado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de Sandia.
"Todos los que han estado involucrados en este proyecto siempre sonríen cuando hablan de él", dijo Siegal. "No solo vimos nuestra investigación básica sobre qué era este material de carbono y la física de cómo funcionan los dispositivos SAW, sino que tambiénayudó a desarrollar un producto exitoso que mejora la salud pública ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios Nacionales Sandia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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