호주 멜버른 RMIT 대학(RMIT University) 소속의 연구진이 개발한 생명을 구하는 혁신 덕분에, 사람들은 조만간 스마트폰을 이용하여 대기오염의 치명적인 형태와 싸우는 것이 가능해질 전망이다.
세계보건기구(WHO; World Health Organization)에 따르면, 대기 오염물질(air pollutant)인 이산화질소(nitrogen dioxide, NO2)가 매년 7백만의 인구를 사망에 이르게 하는데 기여한다고 밝히고 있다. 호주 연구진은 대기 오염물질인 이산화질소를 검출하는 저비용의 신뢰할 수 있는 방법을 최초로 개발했다.
이산화질소 기체는 어린이에서 호흡기 장애(respiratory disorders)의 위험을 증가시키고, 특히 노령 인구에 심각한 영향을 초래할 수 있다.
이산화질소는 특정 산업, 농경 및 헬스 케어 분야에서 중요한 역할을 하는 기체 종이다. 그러나 낮은 검출 한계로 인하여 이산화질소를 검출하는 데 어려움을 겪고 있다. 특히 이 기체가 다른 간섭 기체와 존재할 때 더욱 검출이 어렵다. 현재 기체를 검출하는 기술의 이산화질소 선택성(NO2 selectivity)은 제조 및 운영비용뿐 아니라 민감도와 가역성(reversibility) 때문에 상당한 트레이드오프가 존재한다.
RMIT 산하 혁신적인 전자기기 및 센서 연구소(Centre for Advanced Electronics and Sensors) 소속의 프로젝트 지도 교수인 Kourosh Kalantar-zadeh는 조기에 이산화질소 기체의 유해한 수준을 검출할 수 있는 매우 선택적이며 민감할 뿐 아니라 신뢰할 수 있는 모니터링 시스템에 접근함으로써, 이산화질소의 부정적인 영향을 예방할 수 있다고 밝혔다.
이 연구에서, 연구진은 낮은 운영 온도에서 2차원 주석 이황화물(2D tin disulfide, SnS2)과 물리적 흡착된 이산화질소 기체 분자 사이에 전하 전달을 근간으로 하는 경제적인 검출 토대를 논증함으로써 선택성과 가역성을 겸비한 이산화질소 검출을 구현하는 중요한 진보를 달성할 수 있다는 것을 보여 주었다.
연구진이 개발한 혁신적인 방법은 스마트폰에 통합될 수 있는 취급하기 용이한 저비용의 개별화된 이산화질소 센서를 생성하기 위하여 시작됐다고 Kalantar-zadeh는 밝혔다. 새로운 검출 방법은 수백만 인구의 삶을 개선할 뿐 아니라, 이산화질소 중독(nitrogen dioxide poisoning)으로 유발된 질병을 피하는데 도움을 줄 수 있으며, 심지어 사망을 피할 수 있다.
이산화질소의 주요 기여자는 화석 연료의 연소, 특히 석탄 화력 발전소와 최근 폭스바겐 배기가스 조작 문제로 이슈화된 디젤 엔진에서 배출되는 배기가스에 기인한다. 이산화질소는 도시 지역에서 인간의 건강에 영향을 끼칠 수 있다.
효과적인 모니터링 도구에 대한 대중 접근의 결여는 이러한 기체의 유해한 효과를 완화시키는데 주요 걸림돌이 되고 있지만, 현재의 검출 시스템은 매우 고가이거나 다른 기체로부터 이산화질소를 구별하는 것이 상당히 어렵다고 Kalantar-zadeh는 밝혔다. 연구진이 개발한 방법은 보다 더 비용 효율적일 뿐 아니라 현재 사용되고 있는 센서보다 이러한 유해한 기체를 검출하는데 더 우수한 성능을 보여준다.
Kalantar-zadeh는 RMIT 연구진과 중국 과학원(Chinese Academy of Sciences) 소속의 연구진과 공동으로 이산화질소를 검출하는 새로운 방법을 개발했다.
주석 이황화물(tin disulphide) 플레이크 위에 이산화질소 기체 분자를 물리적으로 흡수함으로써 운영되는 이 센서는 허용된 EPA 기준에 대한 민감도 수준을 증가시킬 뿐 아니라 시장에서 접근할 수 있는 다른 어떤 이산화질소 검출 방법을 능가하는 것으로 나타났다.
주석 이황화물은 도금을 수행하기 위하여 니스(varnish)에서 일반적으로 사용되는 황갈색 색소이다. 센서를 생성하기 위하여 연구진은 이 재료를 몇 개 원자 두께의 플레이크 형태로 변형시켰다. 이러한 플레이크의 큰 표면적은 매우 선택적인 흡착(absorption)을 가능하게 해주는 이산화질소 분자에 대하여 높은 친화도를 가지고 있다.
장치는 선택성이 더 낮은 이온 전도성 이산화질소 센서의 민감도와 선택성을 뛰어 넘는, 160°C 이하의 운영 온도에서 이산화질소에 대한 높은 민감도와 우수한 선택성을 보여주었다. 동시에, 센서의 뛰어난 가역성이 증명됐으며, 이러한 현상은 다른 2차원 재료 복제품에서는 관찰되지 않았다. 이러한 인상적인 특징은 ppb(parts per billion) 수준에서 이산화질소 물리적 흡착(physisorption)과 전하 전달(charge transfer)을 촉진시키는 이 재료의 독특한 물리적 친화도와 유리한 전자띠 위치(electronic band positions)뿐 아니라 2차원 SnS2이 평면적 형상에서 기원한다. 2D SnS2-기반의 센서는 선택적인 저비용의 이산화질소 기체 검출을 위한 실제적인 해결 방안을 제공한다.
연구팀에는 제 1 저자로 Jian Zhen Ou 박사가 포함됐으며 관련 연구는 ACS Nano 저널에 2015년 10월 27일 발표됐다.
그림1> 주석 이황화물의 원자 두께의 얇은 플레이크로 된 주석 이황화물로 이루어진 이산화질소에 민감한 층의 전자현미경 이미지(500,000배 사진)
Revolutionary new weapon in air pollution fight
People could soon be using their smartphones to combat a deadly form of air pollution, thanks to a potentially life-saving breakthrough by researchers at RMIT University in Melbourne, Australia.
Experts have developed the first low-cost and reliable method of detecting nitrogen dioxide (NO2), a significant air pollutant than contributes to more than seven million deaths worldwide each year, according to the World Health Organization (WHO).
The gas increases the risk of respiratory disorders in children and can severely affect the elderly in particular.
Project leader Professor Kourosh Kalantar-zadeh, from RMIT's Centre for Advanced Electronics and Sensors, said the negative impact of nitrogen dioxide could be prevented by access to personalised, highly selective, sensitive and reliable monitoring systems that could detect harmful levels of the gas early.
"The revolutionary method we've developed is a great start to creating a handheld, low-cost and personalised NO2 sensor that can even be incorporated into smartphones," Kalantar-zadeh said.
"Not only would it improve the quality of millions of people's lives, but it would also help avoid illness caused by nitrogen dioxide poisoning and potentially even death."
The main contributors of nitrogen dioxide are the burning of fossil fuels, particularly in coal-fired power stations and diesel engines (as highlighted by the recent Volkswagen emissions scandal), which can impact on the health of people in urban areas.
"A lack of public access to effective monitoring tools is a major roadblock to mitigating the harmful effects of this gas but current sensing systems are either very expensive or have serious difficulty distinguishing it from other gases," Kalantar-zadeh said.
"The method we have developed is not only more cost-effective, it also works better than the sensors currently used to detect this dangerous gas."
Kalantar-zadeh developed the new method for sensing nitrogen dioxide together with fellow RMIT researchers and colleagues from the Chinese Academy of Sciences.
The sensors, which operate by physically absorbing nitrogen dioxide gas molecules onto flakes of tin disulphide, not only increase the level of sensitivity to accepted EPA standards, but outperform any other nitrogen dioxide sensing solutions on the market.
Tin disulphide is a yellowish-brown pigment generally used in varnish for gilding. To create sensors, researchers transformed this material into flakes just a few atoms thick.The large surface area of these flakes has a high affinity to nitrogen dioxide molecules that allows its highly selective absorption.
A research paper by the team, which includes first author Dr Jian Zhen Ou, is published on 27 October in the journal ACS Nano.
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