Forskare från University of Southampton, i samarbete med Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), har utvecklat en grafenbaserad sensor och switch som kan upptäcka skadliga luftföroreningar i hemmet med mycket låg strömförbrukning.

Sensorn detekterar individuella CO2-molekyler och gasmolekyler av flyktiga organiska föreningar (VOC) som finns i byggnads- och interiörmaterial, möbler och till och med hushållsartiklar, som negativt påverkar vårt boende i moderna hus med bra isolering.

Dessa skadliga kemiska gaser har låga koncentrationer av ppb (parts per billion) nivåer och är extremt svåra att upptäcka med nuvarande miljösensorteknologi, som endast kan detektera koncentrationer av miljondelar (ppm).

På senare år har det har skett en ökning av hälsoproblem på grund av luftföroreningar i personliga livsrum, känt som sick building syndrome (SBS), tillsammans med andra tillstånd som sjuk bil och sjuka skolsyndrom.

Forskargruppen, ledd av professor Hiroshi Mizuta, som har en gemensam utnämning vid University of Southampton och JAIST, och Dr Jian Sun och biträdande professor Manoharan Muruganathan vid JAIST, utvecklade sensorn för att detektera individuella CO2-molekyler adsorberade (bindningen av molekyler från en gas till en yta) på den suspenderade grafenen (en enda atomskiva av kolatomer arrangerade i en bikakeliknande hexagonal kristallgitterstruktur) en efter en genom att applicera en elektrisk fält över strukturen.

Genom att övervaka det elektriska motståndet hos grafenstrålen, adsorptions- och desorptionsprocesserna (varvid ett ämne frigörs från eller genom en yta) processer av individuella CO2-molekyler på grafenen upptäcktes som "kvantiserade" förändringar i resistens (stegvis ökning eller minskning av resistens). I studien, publiceras idag i Vetenskapens framsteg , tidskriften för American Association for the Advancement of Science (AAAS), en liten volym CO2-gas (motsvarande en koncentration på cirka 30 ppb) släpptes ut och detektionstiden var bara några minuter.

Professor Mizuta sa:"I motsats till de kommersiellt tillgängliga miljöövervakningsverktygen, denna extrema avkänningsteknik gör det möjligt för oss att realisera betydande miniatyrisering, vilket resulterar i vikt- och kostnadsminskning utöver den anmärkningsvärda förbättringen av detektionsgränsen från ppm-nivåerna till ppb-nivåerna."

Forskargruppsmedlemmar, Dr Harold Chong från Southampton och Dr Marek Schmidt och Dr Jian Sun från JAIST, har också nyligen utvecklat grafenbaserade switchar (publicerad i marsnumret av Nanoskala , tidskriften för Royal Society of Chemistry) med en unikt tunn film utvecklad vid University of Southampton.

Switcharna, som kräver anmärkningsvärt låga spänningar (under tre volt), kan användas för att driva elektroniska komponenter på begäran, avsevärt förbättra batteritiden för personliga elektroniska enheter.

Professor Mizuta och forskargruppen siktar nu på att föra de två teknologierna samman för att skapa miljösensorsystem med ultralåg effekt som kan detektera enstaka molekyler.