Ultrafijne deeltjessensoren voor betere luchtkwaliteit

Stofdeeltjes die groen laserlicht verspreiden. Bron: Tim Staps.

Plasma’s worden gebruikt om microchips te maken, maar ze worden ook gebruikt in sensoren, om te controleren of er ultrafijne deeltjes zijn die een ernstig gezondheidsrisico kunnen vormen. Hoewel dergelijke sensoren gangbaar zijn in de industrie, moeten verschillende problemen zoals kosten, onderhoud en grootte worden opgelost voordat ze beschikbaar zijn voor dagelijks gebruik.

Voor zijn promotieonderzoek heeft Tim Staps nieuwe methoden onderzocht om de grootte en concentratie van deeltjes in plasma’s te meten. Die methoden kunnen worden gebruikt om in de toekomst goedkopere, kleinere en duurzamere deeltjessensoren te maken.

Plasma’s, die bestaan uit geladen deeltjes en de vierde staat van materie zijn, worden gebruikt in hoogtechnologische industriële systemen zoals in lithografiemachines om microchips te maken of in sensoren voor ultrafijne deeltjes (ultrafine particles oftewel UFP’s). Hierin meten ze de concentratie van minuscule deeltjes (kleiner dan 0,1 micrometer) die schadelijk kunnen zijn voor de menselijke gezondheid.Dankzij nieuwe methoden voor het meten van de grootte en de concentratie van ultrafijne deeltjes met behulp van geladen plasma’s, kunnen in de toekomst sensoren worden gemaakt die bevorderlijk zijn voor de gezondheid.

Sensoren voor de samenleving?
Hoewel industriële UFP-sensoren al enige tijd bestaan, moeten er nog verschillende problemen worden opgelost voordat zij gemeengoed zijn in de samenleving. Hun beschikbaarheid zou goed getimed zijn. Het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) schat namelijk dat het aantal sterfgevallen in Nederland als gevolg van het inademen van fijnstof (inclusief ultrafijne deeltjes), uitgestoten door auto’s en andere processen, tussen de 7.000 en 12.000 per jaar ligt.

“Nauwkeurige UFP-sensoren zouden het welzijn van mensen kunnen beschermen door de luchtkwaliteit te bewaken in gebouwen en werkplekken waar veel UFP’s zijn. Om hoge UFP-concentraties tegen te gaan, zou dan gebruik gemaakt kunnen worden van verwarming, ventilatie en airconditioning. Waar het echter op neerkomt, is dat UFP’s nauwkeurig worden gemeten en dat daarop vervolgens actie wordt ondernomen.”

Meten van oppervlaktelading
Voor zijn promotieonderzoek ontwikkelden Staps en zijn collega’s manieren om de oppervlaktelading van deeltjes op nanoschaal nauwkeurig te meten. “Eerst laden we deeltjes op met een plasma, door plasma-elektronen en -ionen naar de deeltjes te leiden. Daarna meten we de lading die de deeltjes bij zich dragen. Het is de totale lading van alle deeltjes die een meting oplevert van hun grootte en concentratie.”

Om de lading van de deeltjes te meten, wendde Staps zich tot de microwave cavity resonance spectroscopy (MCRS), een techniek die sinds de jaren vijftig wordt gebruikt om vrije elektronen in een gas te meten onder vacuümomstandigheden. In een nieuwe aanpak hebben Staps en zijn collega’s de techniek echter aangepast voor gebruik onder normale omstandigheden van druk en luchtdichtheid.

“In een vacuüm kunnen elektronen vele meters afleggen voordat zij tegen een gas- of stofdeeltje botsen. Onder normale omstandigheden neemt deze afstand drastisch af, en de signalen die worden geproduceerd als een elektron een gas- of stofdeeltje raakt, zijn veel kleiner dan in een vacuüm. Daarom hebben we een nieuwe opstelling ontworpen die de effecten van externe trillingen en andere bronnen van signaalruis minimaliseert.”

Vrije elektronen
Staps en de onderzoekers ontdekten dat, zowel onder vacuüm- als atmosferische omstandigheden, botsingen tussen de deeltjes en vrije elektronen in het plasma bepaalden of de deeltjes al dan niet geladen waren. “Dergelijke waarnemingen zijn belangrijk om het fysische proces achter het opladen en ontladen van deeltjes te begrijpen. Maar dezelfde gegevens kunnen ook worden gebruikt om nieuwe theorieën te ontwikkelen voor het omschrijven van de oplaadprocessen onder variabele drukomstandigheden.”

Het detecteren van botsingen tussen elektronen en deeltjes is één ding, maar Staps en de onderzoekers moesten vervolgens de elektronen meten die aan de deeltjes waren gebonden, én de aanwezigheid van negatieve ionen (die de uiteindelijke stofdeeltjes zijn) in het plasma. Maar om de ladingen te meten moeten de elektronen worden losgemaakt van de deeltjes. Om dit te doen gebruikten de onderzoekers lasers in combinatie met MCRS.

“Bij de laseraanpak, die photodetachment wordt genoemd, wordt een groot aantal fotonen op de deeltjes afgevuurd. Belangrijk is dat de energie van de fotonen hoger is dan de bindingsenergie die het elektron aan het deeltjesoppervlak bindt. Dit is echt een unieke manier om de lading van deeltjes in een vacuüm en de aanwezigheid van negatieve ionen bij atmosferische druk te detecteren. ”

Wat betekent dit alles voor ultrafijne deeltjessensoren? Wel, Staps is bijzonder optimistisch dat zijn onderzoek een uitstekend uitgangspunt kan vormen voor de ontwikkeling van toekomstige deeltjessensoren.

“Om nauwkeurige ultrafijne deeltjessensoren te maken, moeten we begrijpen hoe kleine deeltjes worden opgeladen en deze gegevens vervolgens gebruiken om nieuwe theorieën te formuleren over het opladen van nanodeeltjes met behulp van plasma’s”, zegt Staps. “Deze inzichten kunnen de vooruitgang van de sensortechnologieën versnellen. De productie van deze sensoren op industriële schaal zal waarschijnlijk eerder vroeger dan later plaatsvinden. Maar er zijn nog steeds technische uitdagingen, zoals het feit dat plasma’s die met lucht interacteren vrij snel vervuild raken.”

De ontwikkeling van nauwkeurige sensoren kan de industrie bovendien helpen om de uitstoot van ultrafijne deeltjes afkomstig van processen tot een minimum te beperken. Hierdoor verbetert de luchtkwaliteit en nemen de gezondheidsrisico’s af voor mensen die wonen en werken in de nabijheid van systemen die UFP’s produceren.