"We hebben de technologie van perovskiet halfgeleiders gekaapt en toegepast voor een breed inzetbare loodtest. Niemand in dit vakgebied had daar ooit aan gedacht," zegt Lukas Helmbrecht, onderzoeker in de groep Self Organizing Matter onder leiding van Wim Noorduin bij AMOLF. "We zijn heel blij met deze resultaten," zegt Noorduin. "Het is een heel cool project en het komt niet vaak voor dat fundamenteel onderzoek letterlijk de hele wereld overgaat met een toepassing."

Thuiswetenschap
Een paar jaar terug ontwikkelde de groep een manier om een kalkstructuur zoals het skelet van een zeeëgel in twee stappen om te zetten in een halfgeleider. Het calciumcarbonaat in het skelet reageert dan tot een loodperovskiet. Dat is een halfgeleidermateriaal dat licht uitstraalt onder een UV-lamp.
Aan huis gekluisterd tijdens de coronapandemie dacht Noorduin na over andere mogelijke toepassingen van dit materiaal. Tegelijk hoorde hij over de grote gezondheidsgevaren die de blootstelling aan lood met zich meebrengt, vooral voor kleine kinderen die er hersenschade aan overhouden. Een simpele test om lood aan te tonen kan helpen de blootstelling te verminderen en misschien zouden de lichtgevende eigenschappen van het loodperovskiet daarbij kunnen helpen.
Noorduin nam een oplossing mee naar huis die samen met lood een perovskiet zou kunnen vormen en sproeide die op een dakgoot. Die lichtte onmiddelijk fel groen op, evenals tot zijn verbazing de verf op het kozijn ernaast. Beide oppervlakken bevatten een vorm van lood. Het groene schijnsel is luminescentie en verraadde de vorming van de loodperovskiet halfgeleider. "Dit werkte zo verrassend makkelijk dat we zijn gaan nadenken over het ontwikkelen van een test om lood te detecteren op allerlei oppervlakken."

Alleen lood licht op
Helmbrecht pakte de handschoen op en vond dat een oplossing met methylammoniumbromide het best werkt. Zodra deze oplossing in contact komt met een loodverbinding vormt onmiddelijk een loodperovskiet, die onder UV-licht helder groen oplicht. Helmbrecht probeerde allerlei oppervlakken, van loden pijpen en verf tot loodzouten, glas en kunststoffen zoals pvc en elektriciteitsdraad. Allen lichtten helder groen op als bewijs van de aanwezigheid van lood. Met een oplossing van het jodide of chloride in plaats van bromide is het licht respectievelijk rood of blauw.
Daarnaast testte Helmbrecht meer dan vijftig materialen die geen lood bevatten, maar wel elementen die erop lijken, zoals tin, aluminium en koper. Geen van allen lichtten op. De test is dus zeer chemoselectief. De test brengt loodconcentraties aan het licht van een nanogram per mm2 terwijl bestaande tests hooguit microgrammen per mm2 detecteren. De nieuwe test is dus 1000 keer gevoeliger.
Opmerkelijk is dat het niet uitmaakt welke loodverbinding in het materiaal zit, of het metallisch lood is of een van de loodzouten. Noorduin legt uit: "Het lijkt erop dat alle verbindingen omgezet worden in zogeheten tweewaardig lood. Het verbaast ons niet dat de chemische reactie alleen werkt met lood. Dat weten we uit het werk aan perovskiet zonnecellen en leds. Voor zonnecellen is dat een nadeel, voor onze test een voordeel omdat het hem heel selectief maakt. Dat het voor zoveel verschillende loodhoudende materialen werkt heeft ons verrast."
Hoe de chemische reactie precies verloopt is nog onderwerp van onderzoek, zegt Noorduin. "We denken dat het een meerstapsproces is, waarbij lood eerst een beetje oplost, eventueel een redoxreactie ondergaat en daarna een loodzout vormt. Dat wordt vervolgens omgezet naar perovskiet. Maar de reactie is zo snel dat we de stappen nog niet kunnen detecteren." De kennis uit deze studie, die tenslotte begon bij het onderzoek naar perovskiet halfgeleiders, kan weer van belang zijn voor hetzelfde onderzoek bijvoorbeeld om betere zonnecellen of leds van perovskiet te ontwikkelen.

Wereldwijde gezondheidsvoordelen
Een spinoff van dit onderzoek is het bedrijf Lumetallix dat Helmbrecht en Noorduin samen met Jeroen van den Bosch oprichtten. Met AMOLF houden zij een internationaal octrooi op het proces en ontwikkelden een universele testkit. Die is betaalbaar en makkelijk in het gebruik voor iedereen die wil weten of er lood aanwezig is in de leefomgeving. De testkits zijn te bestellen via de website. De onderzoekers werken ook met NGO's over de hele wereld om de kits te verspreiden onder de lokale bevolking in onder andere India en Ivory Coast. Zo kunnen mensen zelf maatregelen nemen om het lood te verwijderen en zo gezondheidsproblemen voorkomen.
"Het feit dat het oppervlak na besproeien helder groen oplicht als er lood in zit heeft veel voordelen boven de bestaande test die een kleurverandering laat zien," legt Helmbrecht uit. "Ten eerste werkt de bestaande test niet voor kleurenblinden. Ten tweede geeft onze test licht dus kun je het resultaat ook goed zien op donkere plaatsen zoals kelders. Ten derde is het feit dat er iets oplicht zowel magisch als alarmerend. Zo hopen we dat meer mensen de test willen doen en kunnen we het bewustzijn, ook in Nederland, over de aanwezigheid van lood vergroten."