I städer och storskaliga tillverkningsanläggningar, en vattenläcka i ett komplicerat nätverk av rör kan ta enorm tid och ansträngning att upptäcka, eftersom tekniker måste demontera många delar för att lokalisera problemet. American Water Works Association indikerar att nästan en kvarts miljon vattenlinjeavbrott inträffar varje år i USA, kostar offentliga vattenverk cirka 2,8 miljarder dollar årligen.

Ett team från University of Washington vill förenkla processen för att upptäcka skadliga läckor genom att utveckla "smart" papper som kan känna av närvaron av vatten. Pappret, spetsad med ledande nanomaterial, kan användas som en switch, tända eller släcka en LED-lampa eller ett larmsystem som indikerar frånvaro eller närvaro av vatten.

Forskarna beskrev sin upptäckt i ett papper som visas i novembernumret av Journal of Materials Chemistry A .

"Vattenavkänning är mycket utmanande att göra på grund av vattnets polära natur, och det som används nu är mycket dyrt och inte praktiskt att implementera, " sa huvudförfattaren Anthony Dichiara, en UW biträdande professor i bioresursvetenskap och teknik vid School of Environment and Forest Sciences. "Det ledde till anledningen att fortsätta det här arbetet."

Tillsammans med Dichiara, ett team av UW-studenter i Bioresource Science and Engineering-programmet har framgångsrikt bäddat in nanomaterial i papper som kan leda elektricitet och känna närvaron av vatten. Börjar med massa, de manipulerade träfibrerna och blandade noggrant i nanomaterial med hjälp av en standardprocess för papperstillverkning, men aldrig tidigare använts för att göra avkänningspapper.

Upptäckten att papperet kunde upptäcka närvaron av vatten kom genom en slumpmässig olycka. Vattendroppar föll på det ledande papper som laget hade skapat, orsakar att LED -lampan indikerar konduktivitet att släckas. Även om de först trodde att de hade förstört papperet, forskarna insåg att de istället hade skapat ett papper som var känsligt för vatten.

När vatten träffar papperet, dess fibrösa celler sväller till upp till tre gånger sin ursprungliga storlek. Den expansionen förskjuter ledande nanomaterial inuti papperet, vilket i sin tur stör de elektriska anslutningarna och gör att LED -indikatorn slocknar.

Denna process är helt reversibel, och när papperet torkar, det ledande nätverket omformas så att papperet kan användas flera gånger.

Forskarna tänker sig en applikation där ett ark ledande papper med ett batteri kan placeras runt ett rör eller under ett komplext nätverk av korsande rör i en tillverkningsanläggning. Om ett rör läcker, papperet skulle känna närvaron av vatten, skicka sedan en elektrisk signal trådlöst till en central kontrollcentral så att en tekniker snabbt kan lokalisera och reparera läckan.

Dessutom, papperet är så känsligt att det också kan detektera spårmängder av vatten i blandningar av olika vätskor. Denna förmåga att skilja vatten från andra molekyler är särskilt värdefull för petroleum- och biobränsleindustrin, där vatten betraktas som en förorening.

"Jag tror att för storskaliga tillämpningar, detta är definitivt genomförbart, ", sa Dichiara. "Priset för nanomaterial kommer att sjunka, och vi använder redan en etablerad papperstillverkningsprocess. Du lägger bara till det vi utvecklat på rätt plats och i rätt tid i processen."

Nanomaterialen som läggs till papperet har konstruerats på ett sådant sätt att de kan införlivas under konventionell papperstillverkning utan att behöva modifiera processen. Dessa material är tillverkade av extremt ledande kol. Eftersom kol finns i allt levande, nästan alla naturliga material kan brännas för att göra träkol, och sedan kan kolatomer extraheras för att syntetisera materialen. Teamet har experimenterat med att göra nanomaterial från bananskal, trädbark och även djuravföring.

De försökte också göra nanomaterial från trärester för att visa att hela papperstillverkningsprocessen kan slutföras med billiga, naturliga material.

"Nu har vi en hållbar process där allt är från massa och papper, och vi kan göra ledande material av dem, sa Dichiara.

Pappret, styv och smidig i konsistensen, är en rik svart färg på grund av nanomaterialen (kol från kol). 8-tumsskivorna som tillverkas i labbet är prototyper; teamet hoppas kunna testa processen på en pappersmaskin i industriell storlek härnäst, vilket kommer att kräva mer nanomaterial och pappersmassa.