AMOLF-forskare har använt de speciella egenskaperna hos perovskithalvledare för att utveckla ett enkelt spraytest för att påvisa närvaron av bly. Perovskite är ett material lämpligt för användning i till exempel lysdioder och solceller. En blyhaltig yta lyser klart grönt när den sprayas med testet. Detta test är 1 000 gånger känsligare än befintliga tester och forskarna hittade inga falskt positiva eller falskt negativa resultat. Studien publicerades den 27 november i tidskriften Environmental Science &Technology .

"Vi har kapat tekniken för perovskit-halvledare och använt den i ett brett utplacerbart blytest. Ingen i den här disciplinen hade någonsin tänkt på det", säger Lukas Helmbrecht, forskare vid gruppen Self-Organizing Matter som leds av Wim Noorduin på AMOLF. "Vi är mycket nöjda med dessa resultat", säger Noorduin. "Det är ett riktigt coolt projekt och det är ganska sällsynt att grundforskning bokstavligen påverkar hela världen med en ansökan."

Vetenskap hemma

För ett par år sedan utvecklade gruppen en tvåstegsprocess för att omvandla en kalciumstruktur, som skelett från en sjöborre, till en halvledare. Kalciumkarbonatet i skelettet reagerar sedan och övergår till en blyperovskit, ett halvledande material som avger ljus under en UV-lampa.

Medan han satt hemma under covid-19-pandemin tänkte Noorduin på andra möjliga tillämpningar av detta material. Samtidigt fick han höra om de avsevärda hälsorisker som är förknippade med exponering för bly, särskilt för små barn som kan få hjärnskador till följd av detta. Ett enkelt test för att påvisa närvaron av bly kan hjälpa till att minska sådan exponering och kanske kan blyperovskitens ljusavgivande egenskaper hjälpa till med det.

Noorduin tog med sig en lösning hem som kunde bilda en perovskit om den kom i kontakt med bly och han sprayade denna på en ränna. Detta gav omedelbart en klar grön färg. Till hans förvåning hände samma sak med färgen på den intilliggande fönsterkarmen som också lyste upp. Båda ytorna innehöll en form av bly. Det gröna ljuset är luminescens och avslöjar bildandet av blyperovskit-halvledaren. "Detta fungerade så otroligt enkelt att vi började fundera på att utveckla ett test för att upptäcka bly på ett brett spektrum av ytor."

Endast bly lyser

Helmbrecht antog utmaningen och upptäckte att en metylammoniumbromidlösning fungerar bäst. Så fort denna lösning kommer i kontakt med en blyförening bildar den omedelbart en blyperovskit, som lyser klart grönt under UV-ljus. Helmbrecht provade en rad olika ytor, från blyrör och färg till blysalter, glas och plaster som PVC och elektriska trådar. De lyste alla klart grönt som bevis på förekomsten av bly. Om en jodid- eller kloridlösning används istället för bromid är ljuset rött respektive blått.

Dessutom testade Helmbrecht mer än femtio material som inte innehöll bly men som innehöll liknande element, som tenn, aluminium och koppar. Ingen av dessa tändes. Detta indikerar att testet är mycket kemoselektivt. Testet avslöjar blykoncentrationer på ett nanogram per mm2, medan de flesta aktuella tester har en noggrannhet på inte mer än några mikrogram per mm2. Det nya testet är därför 1000 gånger känsligare.

Intressant nog spelar det ingen roll vilken blyförening som materialet innehåller metalliskt bly eller något av blysalterna. Noorduin förklarar, "Det verkar som om alla föreningar omvandlas till så kallad 2+ valens av bly. Vi är inte förvånade över att den kemiska reaktionen bara fungerar med bly. Vi vet det från arbete med perovskitsolceller och lysdioder. Den begränsade reaktionen är en nackdel för solceller, men för vårt test är det en fördel eftersom det gör testet mycket selektivt. Vi blev dock förvånade över att testet fungerar för så många olika blyhaltiga material.

Exakt hur den kemiska reaktionen går till utreds fortfarande, säger Noorduin. "Vi tror att det är en process i flera steg där bly först löses upp lite, eventuellt genomgår en redoxreaktion och sedan bildar ett blysalt, som sedan omvandlas till perovskit. Men reaktionen är så snabb att vi inte är men kan upptäcka stegen."

Kunskapen från denna studie, som trots allt började med forskning om perovskithalvledare, skulle i sin tur kunna stärka samma typ av forskning om utveckling av bättre solceller eller lysdioder från till exempel perovskit.

Världsomspännande hälsofördelar

En spin-off av denna forskning är företaget Lumetallix som Helmbrecht och Noorduin startar tillsammans med Jeroen van den Bosch med tillskottet av Xander Terpstra (CCO). Med AMOLF har de gemensamt ett internationellt patent på processen och utvecklingen av ett universellt testkit. Detta är både prisvärt och lätt att använda för alla som vill veta om bly finns i boendemiljön. Testsatserna kan beställas via hemsidan. Forskarna arbetar också med icke-statliga organisationer över hela världen för att sprida kiten bland lokalbefolkningen i till exempel Indien och Elfenbenskusten. Detta skulle göra det möjligt för människor att själva vidta åtgärder för att ta bort bly och på så sätt förebygga hälsoproblem.

"Att en blyhaltig yta lyser klart grönt efter sprutning har många fördelar jämfört med det befintliga testet som bara visar en färgförändring", förklarar Helmbrecht. "För det första fungerar inte det befintliga testet för personer som är färgblinda. För det andra avger vårt test ljus om bly hittas, vilket innebär att du också utan ansträngning kan observera resultatet på mörka platser som källare. För det tredje, det faktum att något lyser upp är både magiskt och alarmerande. Vi hoppas därför hitta fler som är villiga att göra testet så att vi kan öka medvetenheten om förekomsten av bly, även här i Nederländerna."

Mer information: Lukas Helmbrecht et al, Direct Environmental Lead Detection by Photoluminescent Perovskite Formation with Nanogram Sensitivity, Environmental Science &Technology (2023). DOI:10.1021/acs.est.3c06058

Journalinformation: Miljövetenskap och teknik

Tillhandahålls av AMOLF