I en färgstark lösning på ett farligt problem, Australiska forskare anpassar en komponent från banbrytande solceller för att designa en snabb, ljusbaserat detektionssystem för dödliga gifter.

Medan användning av kemiska krigföringsmedel som svavelsenap – mer känd som senapsgas – är förbjudet internationellt, vi förlitar oss på andra strikt kontrollerade kemikalier för jordbruket, industrin och genom hela vårt dagliga liv, inklusive gasningsmedel som metyljodid, som används för att bekämpa insekter och svampar. Fel mängder eller felaktig användning av dessa desinfektionsmedel kan vara skadligt för människor och försämra ozonskiktet.

Eftersom det är osynligt och luktar inte, det är svårt att säga om det finns farliga mängder metyljodid närvarande, och hittills var det bästa sättet att testa det i ett laboratorium med hjälp av dyra, komplicerad utrustning, vilket inte är praktiskt i många verkliga miljöer. Vissa billigare, lätta detektionsmetoder har prövats, men de hade inte tillräckligt med känslighet och tog för lång tid att ge resultat.

Nu, forskning ledd av ARC Center of Excellence in Exciton Science har hittat ett sätt att upptäcka metyljodid genom förändringar i färg, med – för första gången – noggrannheten, flexibilitet och snabbhet som krävs för praktisk användning. Viktigt, den här nya avkänningsmekanismen är tillräckligt mångsidig för att detektera ett brett spektrum av gasningsmedel och kemiska krigföringsmedel.

Arbetar med Australiens nationella vetenskapsbyrå CSIRO och försvarsdepartementet, forskarna lånade lite ny teknik som används för att förbättra solenergi – syntetiska nanokristaller baserade på en perovskitstruktur – och förvandlade den till en detektionsmetod.

Deras tillvägagångssätt bygger på det faktum att dessa mycket fluorescerande nanokristaller reagerar med desinfektionsmedlet och orsakar en förändring i färgen på ljuset de avger. Närvaron av metyljodid gör att nanokristallemissionen skiftar från grönt till gult, och sedan till orange, röd, och slutligen djupröd, beroende på mängden gasningsmedel som finns.

"Perovskite nanokristaller har visat sig vara en mycket effektiv ljussändare, ", sa huvudförfattaren Dr Wenping Yin vid Monash University.

"Här visade vi att metyljodid kan reagera med sådana perovskiter, och gör det mycket snabbt efter ett enkelt kemiskt aktiveringssteg. Kritiskt, detta aktiveringssteg minskar sensorns svarstid från några timmar till bara några sekunder."

I denna process, jonerna som bildar nanokristallerna förändras snabbt när de utsätts för metyljodiden som utlöses av en kemisk reaktion.

Reaktionen innebär utbyte av bromid med jodid i själva nanokristallen, vilket resulterar i färgförändringen.

I sista hand, forskarna har kunnat visa att förändringen i färg är beroende av perovskit nanokristall och metyljodidkoncentrationer.

"Även om den kemiska mekanismen är mycket komplicerad, resultatet är bara en färgförändring av ljuset som produceras av nanokristallerna, som är mycket lätt att upptäcka, sa Wenping.

Den nya mekanismen har det bredaste utbudet, högsta känslighet och snabbaste respons som någonsin uppnåtts för en teknik som inte är beroende av dyra laboratorieinstrument, producerar dess resultat på cirka fem sekunder vid rumstemperatur.

Forskarna hoppas nu att deras resultat ska ge en plattform för att bygga en testenhet som kan användas i verkliga tillämpningar.

Seniorförfattaren professor Jacek Jasieniak sa:"Vi har förstått grundmekanismen för vad som behövs för att genomgå denna kolorimetriska avkänning. Nu handlar det om att bygga en prototypavkänningsenhet.

"Det behöver vidareutvecklas för att inse sin verkliga potential för bredare upptäckt av olika typer av metylhalogenider, samt bekämpningsmedel och kemiska krigföringsmedel, som tårgas, och senapsgas, men scenen är klar."

Försvarsforskare och industripartnerutredare, Dr Genevieve Dennison sa:"Vi är mycket glada över den potential som detta arbete visar och ser fram emot att tillämpa tekniken för att skydda vår militär och första responders."