Nuovo sensore CO2 con materiale composito


Material scientists at ETH Zurich and the Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam have developed a new type of sensor that can measure carbon dioxide (CO2).

Compared with existing sensors, it is much smaller, has a simpler construction, requires considerably less energy and has an entirely different functional principle. The new sensor consists of a recently developed composite material that interacts with CO2 molecules and changes its conductivity depending on the concentration of CO2 in the environment. ETH scientists have created a sensor chip with this material that enables them to determine CO2 concentration with a simple measurement of electrical resistance.

The basis of the composite material is a chain-like macromolecule (polymer) made up of salts called ionic liquids, which are liquid and conductive at room temperature. The name of the polymers is slightly misleading as they are called «poly(ionic liquid)s» (PIL), although they are solid rather than liquid.

Scientists worldwide are currently investigating these PIL for use in different applications, such as batteries and CO2 storage. From their work it is known that PIL can adsorb CO2. “We asked ourselves if we could exploit this property to obtain information on the concentration of CO2 in the air and thereby develop a new type of gas sensor,” says Christoph Willa, doctoral student at the Laboratory for Multifunctional Materials.

Willa and Dorota Koziej, a team leader in the laboratory, eventually succeeded by mixing the polymers with specific inorganic nanoparticles that also interact with CO2. By experimenting with these materials, the scientists were able to produce the composite. “Separately, neither the polymer nor the nanoparticles conduct electricity,” says Willa. “But when we combined them in a certain ratio, their conductivity increased rapidly.

It was not only this that astonished the scientists. They were also surprised that the conductivity of the composite material at room temperature is CO2-dependent. “Until now, chemoresistive materials have displayed these properties only at a temperature of several hundred degrees Celsius,” explains Koziej. Thus, existing CO2 sensors made from chemoresistive materials had to be heated to a high operating temperature. With the new composite material, this is not necessary, which facilitates its application significantly.

Exactly how the CO2-dependant changes in conductivity were produced is not yet clear; however, the scientists have found indications that a chemical change induced by the presence of CO2 occurs foremost at the interface between the nanoparticles and the polymers at the nanometre scale. “We think that CO2 effects the mobility of the charged particles in the material,” says Koziej.

With the new sensor, scientists are able to measure CO2 concentration over a wide range – from a concentration of 0.04 volume percent in the earth’s atmosphere to 0.25 volume percent.

Existing devices that can detect CO2 measure the optical signal and capitalise on the fact that CO2 absorbs infrared light. In comparison, researchers believe that with the new material much smaller, portable devices can be developed that will require less energy. According to Koziej, “portable devices to measure breathing air for scuba diving, extreme altitude mountaineering or medical applications are now conceivable”.


Leggi anche

Grazie alle loro proprietà tecniche e al peso ridotto, i compositi vengono impiegati in quasi tutti i settori industriali e la plastica rinforzata con fibra di vetro (GFRP) costituisce la maggior parte di questo mercato. La necessità di sviluppare un processo economico per il riciclaggio dei rifiuti contenenti fibre pregiate ha spinto Longworth a lanciare EMPHASIZING, un programma di ricerca, finanziato da Innovate UK, che esplora la circolarità dei compositi in fibra di vetro….

Leggi tutto…

L’ossatura dei moduli di servizio dei satelliti realizzati nell’impianto di Torino di Thales Alenia Space richiede spesso l’impiego di strutture in materiali compositi che devono essere tagliati con estrema precisione. Qui entra in gioco Zund che ha fornito a Thales Alenia Space un sistema di taglio digitale automatico e altamente produttivo, in grado di lavorare un’ampia varietà di materiali, tra i quali spiccano i compositi…

Leggi tutto…

Il Ministero Federale per gli affari economici e l’azione per il clima, nell’ambito del programma “Rafforzare le dinamiche di trasformazione energetica nella regione del carbone e nelle località delle centrali elettriche”, ha stanziato quasi sei milioni di euro per sostenere l’Università tecnologica di Chemnitz nella creazione e nell’espansione della Carbon LabFactory, un’infrastruttura di ricerca per le fibre di carbonio ecologiche. …

Leggi tutto…

L’intelligenza artificiale dà vita ad un processo di produzione di compositi basato su un approccio digital twin, che sfrutta l’apprendimento automatico (ML) dato dai big data per elaborare un gemello digitale da utilizzare nel processo di produzione delle lame. Questo framework ML è in grado di fornire un riscontro in tempo reale, riducendo il rischio di difetti e azzerando i costi di produzione dei prototipi fisici. …

Leggi tutto…

In risposta alle normative che impediscono l’utilizzo di materiali riciclati nel settore medicale, è nato un progetto che prevede di recuperare la poliarilammide proveniente da attrezzature chirurgiche, rigenerarla, miscelarla con poliarilammide vergine e utilizzarla nei settori dell’automotive, delle attrezzature sportive e degli articoli per il tempo libero. …

Leggi tutto…