실시간 수질 모니터링을 위한 그래핀 기반 나노층이 있는 물 센서

Water Sensor With Graphene-Based.pdf

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실시간 수질 모니터링을 위한 그래핀 기반 나노층이 있는 물 센서

 

전 세계적으로 물 위기가 발생하고 있으며, 이는 단지 깨끗한 물의 공급 감소에만 국한된 문제가 아니다. 오염된 식수로 인해 전 세계 수억 명의 사람들이 박테리아, 중금속, 살충제, 코로나 바이러스 등의 독소에 노출되고 있다. 이러한 오염은 공중 보건을 위협하고 심각한 질병을 유발할 수 있다.

 

미국 에너지부 아르곤 국립연구소 연구팀은 시카고대학교 프리츠커 분자공학부, 위스콘신대학교 밀워키 캠퍼스와 함께 흐르는 수돗물에서 납, 수은, 대장균을 동시에 감지할 수 있는 센서를 대량으로 제조할 수 있는 방법을 고안했다. 이 팀의 혁신은 오염에 대한 조기 경고를 제공함으로써 공중 보건을 보호하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

 

"전통적으로 물 속의 오염 물질을 측정하도록 설계된 센서는 신뢰성 문제와 결함이 있는 장치를 감지하지 못하는 문제가 있었다."라고 UC 시카고 프리츠커 분자공학과에 공동 연구원으로 있는 아르곤 과학자 하이후이 푸(Haihui Pu)는 말했다. "개선된 센서는 건강 위기를 피할 수 있다."

 

이 센서의 핵심에는 실리콘 기판 위에 코팅된 그래핀의 한 형태인 탄소와 산소 원자로 이루어진 1나노미터 두께의 층이 있다. 이 그래핀 소재는 컴퓨터 칩에 사용되는 반도체와 유사한 역할을 한다. 그런 다음 그래핀 표면에 금 전극을 각인한 다음 나노미터 두께의 알루미늄 산화물 절연층을 씌운다. 각 센서는 납, 수은, 대장균의 세 가지 독소 중 하나를 감지하도록 맞춤화되어 있다.

 

이러한 센서를 대량으로 제조할 때 가장 큰 어려움은 센서의 품질을 평가하는 것이다. 초박형 절연층에는 원치 않는 작은 다공성 영역이 형성될 수 있다. 이 다공성으로 인해 하단 그래핀 층의 전자가 상단 절연 층으로 빠져나갈 수 있다. 이러한 누설은 절연체로서의 효과를 떨어뜨리고 신뢰할 수 없는 센서 응답을 초래한다.

 

최근 네이처 커뮤니케이션즈에 게재된 연구팀의 논문은 대량 생산 전에 결함이 있는 장치를 식별하는 스크리닝 방법을 설명한다. 이 방법은 센서를 물에 담근 상태에서 절연 층의 전기적 반응을 측정하는 것이다. 핵심은 이 스크리닝이 센서를 손상시키지 않는다는 것이다. 연구팀은 이 기술을 사용하여 절연 층의 구조적 결함을 파악했다. 그런 다음 결함이 있는 장치를 쉽게 감지할 수 있는 기준을 수립할 수 있었다.

 

 

연구팀은 접근 방식의 효율성을 입증하기 위해 흐르는 수돗물에서 납, 수은, 대장균을 동시에 감지할 수 있는 세 가지 센서 어레이를 평가했다. 머신 러닝 알고리즘을 사용하여 결과를 분석한 결과, 간섭 요소가 있는 경우에도 독소 수치를 10억 분의 1 수준까지 정량화 할 수 있었다.

 

아르곤의 수석 물 전략가이자 프리츠커 분자 공학의 크라운 패밀리 교수인 준홍 첸은 "이 센서의 장점은 수돗물뿐만 아니라 모든 형태의 물에 적용할 수 있다는 점이다."라고 말했다. "또한 각기 다른 성분을 감지하도록 맞춤화된 센서를 3개, 30개 또는 300개까지 조합할 수 있다." 여기에는 중금속과 박테리아뿐만 아니라 의약품, 살충제, 코로나 바이러스, 물 속의 일반적인 오염 물질인 퍼플 및 폴리플루오로알킬 물질도 포함된다. 또한 배터리용 코발트, 동식물의 영양소인 질소 및 인과 같은 중요한 자원도 포함될 수 있다.

 

문제가 있거나 가치 있는 요소를 식별하고 제거한 후에는 센서를 사용하여 처리된 물의 청결도를 평가할 수 있다. 그 결과는 식수 사용, 농업 및 관개, 지하수 보충, 산업 공정 등 물을 안전하게 재사용할 수 있도록 안내할 수 있다.

 

첸은 자신이 설립한 스타트업 회사를 통해 이 기술을 상용화할 수 있기를 희망했다. "하지만 수질 오염은 전 세계적으로 공동의 노력이 필요한 보건 문제다."라고 그는 말했다.

 

연구팀이 개발한 스크리닝 방법은 수질을 모니터링하고 안전한 재사용을 최적화하기 위한 다목적 도구를 제공한다. 과학자들이 이 중요한 문제를 해결하기 위해 노력하는 것은 더 건강하고 지속 가능한 미래를 위한 희망의 등불이 되고 있다.

 

이 연구는 네이처 커뮤니케이션즈에 게재되었다. 아르곤과 UC시카고 프리츠커 분자공학부의 푸, 첸, 샤오유 수이 등이 연구에 기여했다. 위스콘신-밀워키 대학교의 기여자는 아르납 마이티, 징보 창, 카이 보텀, 빙 진, 귀화 저우, 예일 왕, 간화 루이다.

 

이 연구는 아르곤과 국립과학재단의 실험실 주도 연구 개발 프로그램의 지원을 받았다.