Les chercheurs ont développé un capteur de « fumée gelée » qui utilise des techniques d’intelligence artificielle pour détecter le formaldéhyde en temps réel à des concentrations aussi faibles que huit parties par milliard, bien au-dessus de la sensibilité de la plupart des capteurs de qualité de l’air intérieur.
Les chercheurs de l’Université de Cambridge ont développé des capteurs constitués de matériaux hautement poreux appelés aérogels. En concevant avec précision la forme des trous dans les aérogels, les capteurs ont pu détecter l’empreinte digitale du formaldéhyde, un polluant courant de l’air intérieur, à température ambiante.
Les capteurs de validation de principe, qui nécessitent une énergie minimale, pourraient être adaptés pour détecter une large gamme de gaz dangereux et pourraient également être miniaturisés pour des applications portables et médicales. Les résultats sont rapportés dans la revue Avancées scientifiques.
Les composés organiques volatils (COV) sont une source majeure de pollution de l’air intérieur et, à des niveaux élevés, provoquent des larmoiements, des brûlures aux yeux et à la gorge et des difficultés respiratoires. Des concentrations élevées peuvent déclencher des crises chez les personnes asthmatiques et une exposition prolongée peut provoquer certains types de cancer.
Le formaldéhyde est un COV courant et est émis par les articles ménagers tels que les produits en bois pressé (par exemple MDF), le papier peint et la peinture, ainsi que certains matériaux synthétiques. Le niveau de formaldéhyde émis par ces articles est généralement faible, mais avec le temps, ce niveau peut augmenter, en particulier dans les garages où la peinture et autres produits émetteurs de formaldéhyde sont plus susceptibles d’être stockés.
Selon un rapport de 2019 du groupe de campagne Clean Air Day, un cinquième des foyers au Royaume-Uni présentaient des niveaux importants de formaldéhyde, 13 % des foyers dépassant la limite recommandée par l’Organisation mondiale de la santé (OMS).
“Les COV tels que le formaldéhyde peuvent causer de graves problèmes de santé en cas d’exposition prolongée, même à de faibles concentrations, mais les capteurs actuels n’ont pas la sensibilité ou la sélectivité nécessaires pour distinguer les COV qui ont des effets différents sur la santé”, a déclaré le professeur Tawfique Hasan du Cambridge Graphene Center qui a dirigé la recherche.
“Nous voulions développer un capteur petit et ne consommant pas beaucoup d’énergie, mais capable de détecter sélectivement le formaldéhyde en faibles concentrations”, a déclaré Zhuo Chen, l’auteur principal de l’article.
Les chercheurs ont basé leurs capteurs sur des aérogels : des matériaux ultralégers parfois appelés « fumée liquide » car ils contiennent plus de 99 % d’air en volume. La structure ouverte des aérogels permet aux gaz d’entrer et de sortir facilement. En concevant précisément la forme ou la morphologie des trous, les aérogels peuvent agir comme des capteurs très efficaces.
En collaboration avec des collègues de l’Université de Warwick, les chercheurs de Cambridge ont optimisé la composition et la structure des aérogels pour augmenter leur sensibilité au formaldéhyde, les transformant en filaments environ trois fois plus larges qu’un cheveu humain. Les chercheurs ont imprimé en 3D des lignes d’une pâte à base de graphène, une forme bidimensionnelle de carbone, puis ont lyophilisé la pâte de graphène pour former les trous dans la structure finale de l’aérogel. Les aérogels contiennent également de minuscules semi-conducteurs appelés points quantiques.
Les capteurs qu’ils ont développés ont pu détecter du formaldéhyde à des niveaux aussi bas que huit parties par milliard, soit 0,4 % du niveau considéré comme sûr sur les lieux de travail britanniques. Les capteurs fonctionnent également à température ambiante et consomment très peu d’énergie.
“Les capteurs de gaz traditionnels nécessitent du chauffage, mais en raison de la façon dont nous avons conçu les matériaux, nos capteurs fonctionnent incroyablement bien à température ambiante, ils utilisent donc entre 10 et 100 fois moins d’énergie que les autres capteurs”, a déclaré Chen.
Pour améliorer la sélectivité, les chercheurs ont ensuite intégré des algorithmes d’apprentissage automatique dans les capteurs. Les algorithmes ont été entraînés à reconnaître « l’empreinte digitale » de différents gaz, afin que le capteur puisse distinguer l’empreinte digitale du formaldéhyde des autres COV.
“Les détecteurs de COV existants sont des instruments contondants : vous obtenez simplement un chiffre pour la concentration totale dans l’air”, a déclaré Hasan. “En développant un capteur capable de détecter des COV spécifiques à de très faibles concentrations en temps réel, les propriétaires de maisons et d’entreprises peuvent obtenir une image plus précise de la qualité de l’air et des risques potentiels pour la santé.”
Les chercheurs affirment que la même technique pourrait être utilisée pour développer des capteurs permettant de détecter d’autres COV. En théorie, un appareil de la taille d’un détecteur de monoxyde de carbone domestique pourrait contenir plusieurs capteurs différents et fournir des informations en temps réel sur un certain nombre de gaz dangereux. L’équipe de Warwick développe une plate-forme multi-capteurs rentable qui intègre ces nouveaux matériaux d’aérogel et, en conjonction avec des algorithmes d’IA, détecte divers COV.
“En utilisant des matériaux hautement poreux comme élément de détection, nous ouvrons des possibilités complètement nouvelles pour détecter les matières dangereuses dans notre environnement”, a déclaré Chen.
La recherche a été financée en partie par l’Institut Henry Royce et le Conseil de recherche en ingénierie et en sciences physiques (EPSRC), qui fait partie du UK Research and Innovation (UKRI). Tawfique Hasan est membre du Churchill College de Cambridge.