Há uma crise hídrica global, e não se trata apenas do suprimento cada vez menor de água potável. A água potável contaminada expõe centenas de milhões de pessoas em todo o mundo a toxinas, como bactérias, metais pesados, pesticidas e coronavírus. Essa contaminação põe em risco a saúde pública e pode causar doenças graves.

Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos, juntamente com a Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago e da Universidade de Wisconsin-Milwaukee, desenvolveu um caminho para a fabricação em massa de sensores capazes de detectar simultaneamente chumbo , mercúrio e E. coli. em água corrente da torneira. A inovação da equipe promete ajudar a proteger a saúde pública , fornecendo alerta precoce de contaminação.

"Tradicionalmente, os sensores projetados para medir contaminantes na água sofreram com problemas de confiabilidade e incapacidade de detectar dispositivos defeituosos", disse o cientista da Argonne, Haihui Pu, que mantém um compromisso conjunto com a Pritzker Molecular Engineering da UChicago. "Sensores aprimorados podem evitar crises de saúde."

No centro desses sensores está uma camada de um nanômetro de átomos de carbono e oxigênio , uma forma de grafeno, que é revestida em um substrato de silício. Este material de grafeno serve a um propósito semelhante aos semicondutores encontrados em chips de computador. Eletrodos de ouro são então impressos na superfície do grafeno, seguidos por uma camada isolante de nanômetros de espessura de óxido de alumínio. Cada sensor é adaptado para detectar uma das três toxinas: chumbo, mercúrio ou E. coli.

Um dos maiores desafios na fabricação em massa desses sensores tem sido avaliar sua qualidade. Pequenas áreas de porosidade indesejada podem se formar na camada isolante ultrafina. Essa porosidade permite que os elétrons da camada inferior de grafeno escapem para a camada isolante superior. Esse vazamento compromete sua eficácia como isolante e resulta em respostas do sensor não confiáveis.

A recente publicação da equipe na Nature Communications descreve um método de triagem para identificar dispositivos defeituosos antes da produção em massa. O método envolve a medição da resposta elétrica da camada isolante enquanto o sensor está submerso em água. A chave é que a blindagem não danifica o sensor. Com essa técnica, a equipe identificou defeitos estruturais nas camadas isolantes. Eles foram então capazes de estabelecer critérios para detectar facilmente dispositivos defeituosos.

Para demonstrar a eficácia de sua abordagem, a equipe avaliou um conjunto de três sensores capaz de detectar simultaneamente chumbo, mercúrio e E. coli no fluxo de água da torneira. Usando algoritmos de aprendizado de máquina para analisar os resultados, eles conseguiram quantificar os níveis de toxina em partes por bilhão, mesmo na presença de elementos interferentes.

“A beleza dos sensores é que você pode aplicá-los em qualquer forma de água, não apenas na água da torneira”, disse Junhong Chen, principal estrategista de água da Argonne e professor da Crown Family no Pritzker Molecular Engineering. "Além disso, você pode combinar três, trinta ou trezentos sensores, cada um adaptado para detectar componentes diferentes."

Isso inclui não apenas metais pesados e bactérias, mas produtos farmacêuticos, pesticidas, coronavírus e um contaminante comum na água, substâncias per e polifluoroalquil. Eles também podem incluir recursos críticos, como cobalto para baterias e nitrogênio e fósforo como nutrientes para plantas e animais.

Uma vez identificados e removidos elementos problemáticos ou valiosos, os sensores podem ser usados para avaliar a limpeza da água tratada. Os resultados podem orientar o reúso seguro da água, incluindo uso potável, agricultura e irrigação, reabastecimento de lençóis freáticos e processos industriais.

Chen expressou esperança de comercializar essa tecnologia por meio de uma empresa iniciante que ele fundou. "Mas a contaminação da água representa um problema de saúde global que exige esforços coletivos", disse ele.

O método de triagem da equipe oferece uma ferramenta versátil para monitorar a qualidade da água e otimizar seu reuso seguro. À medida que os cientistas lidam com essa questão crítica, seus esforços servem como um farol de esperança para um futuro mais saudável e sustentável.