Lood zichtbaar te maken met perovskiet (video)

Amolf-onderzoekers hebben de bijzondere eigenschappen van perovskiet-halfgeleiders gebruikt om een eenvoudige spuittest te ontwikkelen om de aanwezigheid van lood aan te tonen. Een loodhoudend oppervlak glanst heldergroen als het met de test wordt besproeid.

De test is 1000 keer gevoeliger dan bestaande tests en de onderzoekers vonden geen vals-positieve of vals-negatieve resultaten. De studie werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Environmental Science and Technology.

“We hebben de technologie van perovskiethalfgeleiders gekaapt en gebruikt in een breed inzetbare leadtest. Niemand in dit vakgebied had daar ooit aan gedacht”, zegt Lukas Helmbrecht, onderzoeker bij de groep Self-Organizing Matter die wordt geleid door Wim Noorduin bij Amolf. “Wij zijn erg blij met deze resultaten”, zegt Noorduin. “Het is een heel gaaf project en het komt zelden voor dat fundamenteel onderzoek met een toepassing letterlijk de hele wereld beïnvloedt.”

Een paar jaar geleden ontwikkelde de groep een tweestapsproces om een calciumstructuur, zoals het skelet van een zee-egel, om te zetten in een halfgeleider. Het calciumcarbonaat in het skelet reageert vervolgens en verandert in een loodperovskiet, een halfgeleidend materiaal dat licht uitzendt onder een UV-lamp.

Terwijl hij tijdens de Covid-19-pandemie thuis zat, dacht Noorduin na over andere mogelijke toepassingen van dit materiaal. Tegelijkertijd hoorde hij over de aanzienlijke gezondheidsrisico’s die blootstelling aan lood met zich meebrengt, vooral voor kleine kinderen die hierdoor hersenbeschadiging kunnen oplopen. Een eenvoudige test om de aanwezigheid van lood aan te tonen zou deze blootstelling kunnen helpen verminderen en misschien kunnen de lichtgevende eigenschappen van de lood-perovskiet daarbij helpen.

Verbazingwekkend eenvoudig

Noorduin nam een oplossing mee naar huis die bij contact met lood een perovskiet kon vormen en spoot dit op een goot. Deze straalde onmiddellijk een heldergroene kleur uit. Tot zijn verbazing gebeurde hetzelfde met de verf op het aangrenzende raamkozijn, die ook oplichtte. Beide oppervlakken bevatten een vorm van lood. Het groene licht is luminescentie en onthult de vorming van de lood-perovskiet-halfgeleider. “Dit werkte zo verbazingwekkend eenvoudig dat we begonnen na te denken over de ontwikkeling van een test om lood op een breed scala aan oppervlakken te detecteren.”

Alleen lood licht op

Helmbrecht ging de uitdaging aan en ontdekte dat een methylammoniumbromide-oplossing het beste werkt. Zodra deze oplossing in contact komt met een loodverbinding, vormt deze direct een loodperovskiet, die onder UV-licht heldergroen oplicht.

Helmbrecht probeerde een scala aan ondergronden, van loden buizen en verf tot loodzouten, glas en kunststoffen zoals PVC en elektriciteitsdraad. Ze lichtten allemaal felgroen op als bewijs van de aanwezigheid van lood. Als in plaats van bromide een jodide- of chloride-oplossing wordt gebruikt, is het uitgestraalde licht respectievelijk rood of blauw.

Daarnaast testte Helmbrecht ruim vijftig materialen die geen lood bevatten maar wel vergelijkbare elementen, zoals tin, aluminium en koper. Geen van deze lichtte op. Dit geeft aan dat de test zeer chemoselectief is. De test onthult loodconcentraties van één nanogram per mm², terwijl de meeste huidige tests een nauwkeurigheid hebben van niet meer dan enkele microgrammen per mm². De nieuwe test is dus 1000 keer gevoeliger.

Interessant genoeg maakt het niet uit welke loodverbinding het materiaal metallisch lood of een van de loodzouten bevat. Noorduin legt uit: “Het lijkt erop dat alle verbindingen worden omgezet in zogenaamde 2+ valentie van lood. Het verbaast ons niet dat de chemische reactie alleen werkt met lood. Dat weten we uit werk aan perovskietzonnecellen en LED’s. Voor zonnecellen is de beperkte reactie een nadeel, maar voor onze test een voordeel omdat het de test zeer selectief maakt. Wij waren echter verbaasd dat de test voor zoveel verschillende loodhoudende materialen werkt.

Hoe de chemische reactie precies verloopt, wordt nog onderzocht, zegt Noorduin. “Wij denken dat het een proces in meerdere stappen is waarbij lood eerst een beetje oplost, mogelijk een redoxreactie ondergaat en daarna een loodzout vormt, dat vervolgens wordt omgezet in perovskiet. De reactie is echter zo snel dat we de stappen nog niet kunnen detecteren.” De kennis uit dit onderzoek, dat immers begon met onderzoek naar perovskiethalfgeleiders, zou op zijn beurt een impuls kunnen geven aan hetzelfde soort onderzoek naar de ontwikkeling van betere zonnecellen of LED’s uit bijvoorbeeld perovskiet.

Gezondheidsvoordelen

Een spin-off van dit onderzoek is het bedrijf Lumetallix dat Helmbrecht en Noorduin samen met Jeroen van den Bosch opzetten met de recente toevoeging van Xander Terpstra (CCO). Samen met Amolf hebben ze gezamenlijk een internationaal patent op het proces en de ontwikkeling van een universele testkit. Dit is zowel betaalbaar als eenvoudig te gebruiken voor iedereen die wil weten of lood in de leefomgeving aanwezig is.