Come progettare un sensore affidabile da 1 dollaro per l'acqua potabile sicura

Secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità, ogni anno centinaia di migliaia di persone muoiono a causa del consumo di acqua non sicura. Ad esempio, si stima che la diarrea trasmessa da contaminazione batterica causi oltre 500.000 decessi ogni anno. Anche i metalli pesanti tossici presenti nell’acqua potabile, come l’arsenico, il piombo e il mercurio, comportano enormi rischi per la salute. E secondo l’OMS, il cambiamento climatico non farà altro che esacerbare i rischi di malattie legate all’acqua.

I sensori in grado di rilevare con precisione e rapidità tali contaminanti potrebbero prevenire molte malattie e decessi dovuti all’acqua. Ora, gli ingegneri hanno sviluppato un percorso per produrre in serie sensori al grafene ad alte prestazioni in grado di rilevare metalli pesanti e batteri nell’acqua corrente del rubinetto. Questo progresso, riportato su Nature Communications, potrebbe ridurre il costo di tali sensori a solo 1 dollaro ciascuno, consentendo alle persone di testare la presenza di tossine nell’acqua potabile a casa.

I sensori devono essere straordinariamente sensibili per rilevare le minime concentrazioni di tossine che possono causare danni. Ad esempio, la Food and Drug Administration statunitense afferma che l’acqua in bottiglia deve avere una concentrazione di piombo non superiore a 5 parti per miliardo.

Oggi, rilevare concentrazioni di parti per miliardo o addirittura parti per trilione di metalli pesanti, batteri e altre tossine è possibile solo analizzando campioni di acqua in laboratorio, afferma Junhong Chen, professore di ingegneria molecolare presso l’Università di Chicago. e lo stratega capo dell'acqua presso l'Argonne National Laboratory. Ma il suo gruppo ha sviluppato un sensore con un transistor a effetto di campo al grafene (FET) in grado di rilevare le tossine a quei bassi livelli in pochi secondi.

Il sensore si basa su un foglio di ossido di grafene semiconduttore spesso nanometri, che funge da canale tra gli elettrodi di sorgente e di drenaggio in un FET; un elettrodo di gate controlla la corrente attraverso il canale. I fogli di grafene vengono depositati su un wafer di silicio, quindi sugli stessi vengono stampati elettrodi d'oro, seguiti da uno strato isolante di ossido di alluminio spesso un nanometro per separare l'elettrodo di gate dal canale semiconduttore.

I ricercatori attaccano molecole chimiche e biologiche alla superficie del grafene che si legheranno agli obiettivi desiderati, in questo caso i batteri E. coli e i metalli pesanti piombo e mercurio. Quando anche la più piccola quantità di contaminanti si attacca al grafene, la sua conduttività cambia, con l’entità del cambiamento correlata alle concentrazioni delle tossine.

Il dispositivo utilizza una serie di tre diversi sensori, uno per ciascun contaminante, per misurare le concentrazioni di parti per trilione nell'acqua corrente. Gli algoritmi di apprendimento automatico aiutano a differenziare i contaminanti, afferma Chen. “La sua risposta è molto rapida, proprio come qualsiasi altro FET, quindi puoi vedere subito i risultati. Inoltre, è potenzialmente a basso costo perché FET è una tecnologia economicamente vantaggiosa e scalabile [già utilizzata] in computer, laptop e telefoni cellulari.

Produrre sensori con prestazioni affidabili e costanti è stata una sfida importante, afferma. Questo perché lo strato isolante di ossido di alluminio può presentare difetti che intrappolano le cariche e riducono le prestazioni.

Così Chen e i suoi colleghi hanno trovato un modo per rilevare i dispositivi difettosi utilizzando un processo non intrusivo. Mentre i sensori sono immersi nell’acqua, li testano utilizzando la spettroscopia di impedenza – una tecnica che prevede l’applicazione di una tensione CA a frequenze che vanno da pochi hertz a poche decine di migliaia di hertz – e misurando la corrente attraverso i dispositivi. Ciò consente loro di rilevare difetti strutturali nell'ossido di alluminio.

"Su ogni wafer ci sarebbero centinaia di chip sensore", afferma Chen. “Nella produzione futura, possiamo introdurre questa fase di controllo qualità per escludere i dispositivi difettosi e selezionare quelli di buona qualità”.

Il team sta ora cercando di commercializzare la tecnologia attraverso una startup chiamata Nanoaffix Science. "Il primo prodotto che speriamo di introdurre è un dispositivo portatile che consenta alle persone di testare la qualità dell'acqua potabile direttamente dal rubinetto", afferma Chen.