전 세계적으로 물 위기가 발생하고 있다. 이는 깨끗한 물 공급의 감소만의 문제는 아니다. 오염된 식수는 전 세계적으로 수억 명의 사람들을 박테리아, 중금속, 살충제 및 코로나 바이러스와 같은 독소에 노출시킨다. 그 결과 공중 보건을 위태롭게 하고, 심각한 질병을 일으킨다.

미국 에너지부의 아르곤 국립연구소와 시카고 대학의 프리츠커 분자공학과(Pritzker School of Molecular Engineering at the University of Chicago), 밀워키 주의 위스콘신 대학교( University of Wisconsin — Milwaukee)는 흐르는 수돗물에서 납, 수은, 대장균을 동시에 감지할 수 있는 센서의 대량 제조방법을 연구했다. 이 센서는 오염에 대해 사전 경고하는 기능을 갖췄다.

하이후이 푸(Haihui Pu) 프리츠커 분자공학과로 공동 임명된 아르곤의 과학자는 “물 속 오염 물질을 측정하는 전통적인 방식의 센서는 신뢰성 문제가 있을뿐만 아니라 결함이 있는 장치를 감지할 수 없었다”라고 말했다.  반면 새로운 센서는 이를 개선했다.

센서의 중심에는 실리콘 기판(silicon substrate)위에 코팅된 1나노미터 두께의 층이 있다. 이 층은 그래핀(graphene)의 한 형태로 탄소와 산소 원자로 이루어졌다. 이 그래핀 물질은 컴퓨터 칩에서 발견되는 반도체와 비슷한 역할을 수행한다. 

그래핀 표면에는 금 전극을 각인하고, 나노미터 두께의 산화알루미늄으로 절연층을 만든다. 각각의 센서는 납, 수은, 대장균 세 가지 독소 중 하나를 감지하도록 맞춤화 돼 있다.

이 센서를 대량 생산하는 데 있어 주요 과제 중 하나는 결함을 평가하는 것이다. 극도로 얇은 절연층에는 원하지 않는 공극률(porosity)이 형성될 수 있다. 이 공극률은 하부 그래핀 층의 전자가 상부 절연층으로 빠져나가게 만들어 절연체의 효과를 손상시키고 신뢰할 수 없는 결과값을 초래한다.

『네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)』에 실린 연구팀의 최근 논문에는 대량 생산을 하기 전에 결함이 있는 장치를 식별하는 선별방법이 설명돼 있다. 센서는 물속에서 절연층의 전기 반응을 측정한다.

핵심은 이 선별방식이 센서를 손상시키지 않는다는 것이다. 이 기술을 사용해 연구팀은 절연층의 구조적 결함을 식별했다. 그 후 결함이 있는 장치를 쉽게 감지할 수 있는 기준을 확립했다.

이 기술의 효과를 입증하기 위해, 연구팀은 흐르는 수돗물에서 납, 수은 및 대장균을 동시에 감지할 수 있는 3개의 센서 배열을 평가했다. 기계 학습 알고리즘을 사용해 결과를 분석함으로써 방해 요소가 있는 경우에도 독소 수준을 10억 분의 1 수준까지 정량화할 수 있었다. 

첸준홍(Junhong Chen) 아르곤의 수석 물 전략가이자 프리츠커 분자공학과 교수는 “이 센서의 장점은 수돗물뿐만 아니라 어떤 형태의 물에도 적용할 수 있다는 점이다”라고 말했다. 또한 “각각 다른 구성 요소를 감지할 수 있도록 맞춤화된 센서를 3개, 30개 또는 300개씩 결합할 수 있다”고 말했다.

그는 “중금속과 박테리아뿐만 아니라 의약품, 살충제, 코로나바이러스, 물, 당 및 폴리플루오로알킬 물질의 일반적인 오염 물질을 감지할 수 있다”며 “배터리용 코발트, 식물과 동물의 영양소인 질소 및 인도 포함될 수 있다”고 말했다.

문제요소가 제거되면 센서를 사용해 물의 청결도를 평가할 수 있다. 그후 식수, 농업 및 관개, 지하수 보충 및 산업 공정을 포함한 물의 안전한 재사용을 안내할 수 있다.

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Pivotal discovery in sensor technology to combat water contamination and mor
New screening method eliminates faulty electronic sensors for measuring toxins and other elements in water

There is a global water crisis, and it is not only about the dwindling supply of clean water. Contaminated drinking water exposes hundreds of millions of people worldwide to toxins, such as bacteria, heavy metals, pesticides and coronaviruses. This contamination imperils public health and can cause serious illnesses.

A team of researchers from the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory, along with the Pritzker School of Molecular Engineering at the University of Chicago and the University of Wisconsin — Milwaukee, has devised a pathway for the mass manufacture of sensors able to simultaneously detect lead, mercury and E. coli. in flowing tap water. The team’s innovation promises to help safeguard public health by providing early warning for contamination.

“Traditionally, sensors designed to measure contaminants in water have suffered from reliability issues and the inability to detect faulty devices,” said Argonne scientist Haihui Pu, who holds a joint appointment with UChicago’s Pritzker Molecular Engineering. ​“Improved sensors could avert health crises.”

At the core of these sensors lies a one-nanometer-thick layer of carbon and oxygen atoms, a form of graphene, which is coated on a silicon substrate. This graphene material serves a similar purpose to the semiconductors found in computer chips. Gold electrodes are then imprinted onto the graphene surface, followed by a nanometer-thick insulating layer of aluminum oxide. Each sensor is tailored to detect one of the three toxins: lead, mercury or E. coli.

One of the major challenges in mass manufacturing these sensors has been assessing their quality. Tiny areas of undesired porosity can form in the ultra-thin insulating layer. This porosity allows electrons from the bottom graphene layer to escape into the top insulating layer. This leakage compromises its effectiveness as an insulator and results in unreliable sensor responses.

The team’s recent publication in Nature Communications describes a screening method to identify defective devices before mass production. The method involves measuring the electrical response of the insulating layer while the sensor is submerged in water. Key is that the screening does not damage the sensor. By employing this technique, the team identified structural defects in the insulating layers. They were then able to establish criteria to easily detect faulty devices.

To demonstrate the efficacy of their approach, the team evaluated a three-sensor array able to simultaneously detect lead, mercury and E. coli in flowing tap water. Using machine learning algorithms to analyze the results, they were able to quantify toxin levels down to the parts per billion, even in the presence of interfering elements.

“The beauty of the sensors is that you can apply them in any form of water, not just tap water,” said Junhong Chen, Argonne’s lead water strategist and Crown Family Professor at Pritzker Molecular Engineering. ​“What’s more, you can combine three, thirty or three hundred sensors, with each tailored to detect different constituents.” These include not only heavy metals and bacteria, but pharmaceuticals, pesticides, coronaviruses and a common contaminant in water, per- and polyfluoroalkyl substances. They might also include critical resources, such as cobalt for batteries and nitrogen and phosphorus as nutrients for plants and animals.

Once problematic or valuable elements are identified and removed, the sensors can be used to assess the cleanliness of treated water. The results can guide the safe reuse of the water, including potable use, agriculture and irrigation, groundwater replenishment and industrial processes.

[출처 = Argonne National Laboratory(https://www.anl.gov/article/pivotal-discovery-in-sensor-technology-to-combat-water-contamination-and-more) / 2023년 8월 10일)]

[번역 = 박원희 기자]