Científicos de la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois ha desarrollado un hidrogel integrado con estructuras metalorgánicas robustas (MOF) a base de circonio que degrada rápidamente los agentes nerviosos a base de organofosforados utilizados en la guerra química. A diferencia de los adsorbentes MOF en polvo existentes, este compuesto de hidrogel no requiere agua agregada y puede ampliarse fácilmente para su uso en máscaras protectoras o ropa. El trabajo aparece el 14 de julio en la revista Catálisis química .

"Los agentes nerviosos a base de organofosforados se encuentran entre las sustancias químicas más tóxicas conocidas por la humanidad, "dice el autor principal Omar Farha, profesor de química en la Universidad Northwestern. "Su uso en conflictos globales recientes refleja la urgente necesidad de equipo de protección personal, así como la destrucción masiva de arsenales de armas químicas. En este trabajo, integramos MOF e hidrogel reticulado que contiene aminas en la tela para crear un microambiente adecuado que facilite la rápida degradación de los agentes nerviosos y proporcione protección en tiempo real ".

Si bien los MOF han demostrado previamente una capacidad excepcionalmente rápida para descomponer los agentes organofosforados y los productos químicos que los simulan en el laboratorio, Estos adsorbentes en polvo han demostrado ser difíciles de integrar directamente en telas protectoras. Cuando los agentes nerviosos se unen a sus racimos de circonio-6, a menudo desactivan los catalizadores en polvo y compuestos fibrosos. Esta trampa requiere el uso de soluciones alcalinas para regenerar los sitios catalíticos de los MOF, un requisito que no impide que dichos MOF se utilicen para eliminar las armas químicas almacenadas, pero que sí impide su uso en equipos de protección portátiles.

Para superar este desafío, Farha y sus colegas diseñaron un sistema compuesto textil basado en MOF que usa agua en un hidrogel a base de amina para descomponer los agentes nerviosos. El material trabaja reuniendo tres componentes clave para las reacciones de hidrólisis que desmantelan los agentes organofosforados tóxicos. El nodo de circonio del MOF proporciona un sitio ácido de Lewis que activa el centro de fósforo (la parte activa del agente nervioso), mientras que los poros de hidrogel atrapan el agua necesaria. Los grupos amina básicos en la estructura del hidrogel generan grupos hidroxilo para facilitar el ataque nucleofílico sobre el sustrato organofosforado y el posterior desplazamiento del producto de hidrólisis en el centro de circonio (es decir, recambio catalítico).

Los investigadores integraron este compuesto de hidrogel con fibras de algodón y lo probaron aplicando una pequeña alícuota de un simulante o un agente nervioso real (probado en colaboración con el Laboratorio del Ejército de EE. UU.) A su superficie. Próximo, analizaron el producto y el sustrato mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear. Descubrieron que el compuesto convertía químicamente el 99% del agente en solo 10 minutos, manteniendo este alto nivel de actividad catalítica incluso después de haber sido almacenado en un vial sellado durante 3 meses.

"El material compuesto desarrollado aquí representa una mejora significativa en comparación con lo que desarrollamos anteriormente, ", dice Farha." También es importante señalar que las reactividades reportadas aquí con el compuesto en su estado sólido son comparables a las obtenidas en soluciones acuosas alcalinas ".

Dado que los autores imaginan que el nuevo compuesto de hidrogel se utilizará como capa reactiva en trajes y máscaras, señalan que será necesaria más ingeniería y pruebas para integrarlo en estos productos existentes. Sin embargo, Dado que el método utilizado para producir el compuesto es simple y fácilmente escalable, Farha sugiere que la producción a gran escala de máscaras y trajes basados ​​en MOF puede ser posible en el futuro.

"Estamos en el proceso de optimizar el material compuesto para que sea adecuado para las condiciones del mundo real, "dice Farha." Esperamos que en el futuro estos materiales se comercialicen y se utilicen para proteger la vida humana ".