Nowy detektor wykryje w wodzie nawet śladowe ilości trotylu
Wykrywanie nawet niewielkich ilości materiałów wybuchowych będzie jeszcze łatwiejsze. Dzięki pracy m.in. dr. inż. Mateusza Szali z WAT powstała kompozytowa elektroda o unikalnej konstrukcji, która pozwala na selektywne wykrycie i oznaczenie niewielkich ilości trotylu w wodzie morskiej, słodkiej a w przyszłości nawet w ściekach komunalnych. Zwiększy to bezpieczeństwo państwa i usprawni system monitorowania środowiska naturalnego.
Materiały wybuchowe w ostatnich latach są wykorzystywane coraz częściej nie tylko w celach militarnych, ale również cywilnych. Dużym zagrożeniem jest również rosnąca ilość tego typu niebezpiecznych substancji w nielegalnym obrocie. Informacje o syntezie materiałów wybuchowych można znaleźć w domenach publicznych Internetu, a surowce do jej wykonania są łatwe do kupienia na rynku. Dlatego znalezienie taniego i precyzyjnego sposobu wykrywania różnych składników materiałów wybuchowych staje się coraz pilniejszym wyzwaniem.
„Celem badań prowadzonych przez nasz zespół jest poszukiwanie nowych metod detekcji materiałów wybuchowych w roztworach wodnych. Opracowywane metody lub modyfikacje metod pracujących w oparciu o znane pryncypia ma na celu poprawę możliwości detekcji materiałów wybuchowych w próbkach środowiskowych takich jak woda morska, woda rzeczna a w przyszłości nawet w ściekach komunalnych” – mówi dr inż. Mateusz Szala z Wydziału Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej, reprezentant WAT w zespole badawczym stworzonym na Politechnice Gdańskiej.
Wykrywanie TNT
Materiały wybuchowe typu nitroaromatycznego, ze względu na niski koszt są nadal szeroko stosowane w celach wojskowych i górniczych. Bardzo duże ilości tych związków znalazły się w środowisku podczas I i II wojny światowej, również w morzach i oceanach. Naukowcy twierdzą, że im dłużej wraki znajdują się na dnie, tym bardziej zaczynają zakłócać równowagę mikrobiologiczną lokalnych ekosystemów. Z punktu widzenia Polski zagrożenia te są widoczne szczególnie na Bałtyku.
Najbardziej znanym przedstawicielem związków nitrowych aromatycznych jest 2,4,6-trinitrotoluen (TNT), który jest sklasyfikowany przez amerykańską Agencję Ochrony Środowiska jako „zanieczyszczenie wzbudzające zaniepokojenie” (ang. contaminants of emerging concern (CEC)) ze względu na wysoką toksyczność i mutagenne działanie na środowisko i wszystkie formy życia. Szkodliwe substancje pochodzące z materiałów wybuchowych akumulują się w środowisku. Są to na tyle niskie stężenia, że nie powodują ryzyka wybuchu, ale mogą np. zanieczyszczać glebę i wody gruntowe, co może być bardzo niebezpieczne dla zdrowia ludzi.
„Wykorzystanie metod elektrochemicznych do detekcji związków chemicznych w roztworach nie jest niczym nowym. Nowością zaproponowaną i wykorzystaną przez nas było zbudowanie kompozytowej elektrody o unikalnej konstrukcji co pozwoliło na selektywne wykrycie i oznaczenie bardzo niewielkich ilości trotylu w roztworze wodnym. Wykorzystanie druku 3D pozwoliło w niemal doskonały sposób połączyć warstwę domieszkowanego diamentu z warstwą polilaktydu zawierającego grafen. Elektroda zbudowana w ten sposób charakteryzuje się nieosiągalnymi dla innych technik elektrochemicznych parametrami detekcji” – mówi dr inż. Mateusz Szala.
Naukowcy uzyskali poprawę parametrów detekcji między innymi dzięki wykorzystaniu oryginalnego rozwiązania w postaci samodzielnie otrzymanego podłoża z dopowanego borem diamentu a następnie nadrukowaniem na niego warstwy z kompozytu polilaktydu zawierającego grafen. Utworzona elektroda doskonale spełnia swoje zadanie w czujniku stosowanym do wykrywania związków nitroaromatycznych w środowisku wodnym. Do wykrywania tych związków najczęściej stosuje się drogie i czasochłonne analizy chromatograficzne. Dlatego niezbędne jest stworzenie taniego i szybkiego sposobu prowadzenia monitoringu środowiska w celu wykrycia tych związków.
„Przewaga opracowanego rozwiązania polega na możliwości dostosowania np. kształtu elektrody do urządzenia, w którym ma ona być użyta. Wykorzystanie drukowanego polimeru na powierzchni powoduje, że pracująca elektroda charakteryzuje się również elastycznością dzięki czemu czujnik zyskuje pewną odporność mechaniczną, której nie mają obecnie używane elektrody. Poza zaletami typowo użytkowymi, nowy rodzaj elektrody pozwala również na wykrywanie bardzo małych ilości materiałów wybuchowych w wodzie” – wyjaśnia naukowiec.
Bezpieczeństwo
Napaść Federacji Rosyjskiej na Ukrainę i utrzymujące się od dziesięcioleci zagrożenie terrorystyczne pokazuje, jak ważny jest to problem. Rosnące zagrożenie jest dodatkowym impulsem do poszukiwań tanich i szybkich rozwiązań, które przyczyniłyby się do zapewnienia bezpieczeństwa w Polsce poprzez usprawnienie wykrywania pozostałości materiałów wybuchowych.
„Detekcja materiałów wybuchowych oraz produktów ich rozkładu to bardzo ważne zagadnienie związane z bezpieczeństwem. Opracowana technika już niebawem pozwoli na szybką i niezawodną detekcję materiałów wybuchowych w wodach powierzchniowych oraz innych próbkach środowiskowych. Przyczyni się to do wczesnego wykrywania prób przeprowadzenia aktów terroru lub w razie ich wystąpienia, pozwoli szybciej wykrywać sprawców” – mówi dr inż. Mateusz Szala.
Za pomocą czujników elektrochemicznych można zmierzyć dużą liczbę próbek rzeczywistych w krótkim czasie i przy stosunkowo niskim koszcie. Efekty badań mogą więc również być przydatne w działaniach policji, która będzie mogła badać obecność nawet niewielkich ilości pozostałości po środkach wybuchowych zabezpieczonych na miejscach pospolitych przestępstw. Na komercyjne wykorzystanie nowego rodzaju elektrody będziemy musieli jeszcze trochę zaczekać.
„Znaczenie zbudowanego sensora ma obecnie głównie walor naukowy. Z wykorzystaniem naszej techniki możemy selektywnie wykrywać i oznaczać bardzo małe ilości trotylu (lub szerzej materiałów wybuchowych) w roztworach wodnych. Opracowaliśmy, zbudowaliśmy i przetestowaliśmy nowy rodzaj materiału elektrodowego, który w przyszłości może stać się szeroko stosowany do monitoringu czystości wód w rzekach i oceanach” – mówi dr inż. Mateusz Szala.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Microchimica Acta” w publikacji pod tytułem „Conductive printable electrodes tuned by boron-doped nanodiamond foil additives for nitroexplosive detection”. Współautorami artykułu spoza WAT są: dr inż. Anna Dettlaff, mgr inż. Michał Rycewicz, dr inż. Mateusz Ficek, mgr inż. Aleksandra Wieloszyńska, dr hab. inż. Jacek Ryl i dr hab. inż. Robert Bogdanowicz.
Artykuł otrzymał 140 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 5.888.
Marcin Wrzos
fot. Pixabay.com