El nuevo sistema combina dos tecnologías existentes, uniéndolas de una manera que preserva las ventajas de cada una y evita sus limitaciones. El equipo utilizó un material llamado estructura organometálica, o MOF, que es muy sensible a pequeños rastros de gas pero cuyo rendimiento se degrada rápidamente, y lo combinó con un material polimérico que es muy duradero y más fácil de procesar, pero mucho menos sensible. .

Los resultados se publican en la revista Advanced Materials. , en un artículo de los profesores del MIT Aristide Gumyusenge, Mircea Dinca, Heather Kulik y Jesús del Álamo, el estudiante graduado Heejung Roh y los postdoctorados Dong-Ha Kim, Yeongsu Cho y Young-Moo Jo.

Altamente porosos y con grandes superficies, los MOF vienen en una variedad de composiciones. Algunos pueden ser aislantes, pero los que se utilizan para este trabajo son altamente conductores de electricidad. Con su forma de esponja, son eficaces para capturar moléculas de diversos gases, y el tamaño de sus poros se puede adaptar para hacerlos selectivos para tipos particulares de gases.

"Si los usa como sensor, puede reconocer si el gas está allí si tiene un efecto sobre la resistividad del MOF", dice Gumyusenge, autor principal del artículo y profesor asistente de materiales de desarrollo profesional de Merton C. Flemings. Ciencia e Ingeniería.

El inconveniente del uso de estos materiales como detectores de gases es que se saturan fácilmente y luego ya no pueden detectar ni cuantificar nuevas entradas. "Eso no es lo que quieres. Lo que quieres es poder detectar y reutilizar", dice Gumyusenge. "Por eso decidimos utilizar un compuesto polimérico para lograr esta reversibilidad".

El equipo utilizó una clase de polímeros conductores que Gumyusenge y sus compañeros de trabajo habían demostrado previamente que pueden responder a los gases sin unirse permanentemente a ellos. "El polímero, aunque no tiene la gran superficie que tienen los MOF, al menos proporcionará este tipo de fenómeno de reconocimiento y liberación", afirma.

El equipo combinó los polímeros en una solución líquida junto con el material MOF en forma de polvo y depositó la mezcla sobre un sustrato, donde se secó formando una capa fina y uniforme. Al combinar el polímero, con su capacidad de detección rápida, y los MOF más sensibles, en una proporción de uno a uno, dice, "de repente obtenemos un sensor que tiene la alta sensibilidad que obtenemos del MOF y la reversibilidad que es posible gracias a la presencia del polímero."

El material cambia su resistencia eléctrica cuando las moléculas del gas quedan atrapadas temporalmente en el material. Estos cambios en la resistencia se pueden monitorear continuamente simplemente conectando un óhmetro para rastrear la resistencia a lo largo del tiempo. Gumyusenge y sus estudiantes demostraron la capacidad del material compuesto para detectar dióxido de nitrógeno, un gas tóxico producido por muchos tipos de combustión, en un pequeño dispositivo a escala de laboratorio. Después de 100 ciclos de detección, el material aún mantenía su rendimiento básico dentro de un margen de alrededor del 5 al 10 por ciento, lo que demuestra su potencial de uso a largo plazo.

Además, este material tiene una sensibilidad mucho mayor que la mayoría de los detectores de dióxido de nitrógeno utilizados actualmente, informa el equipo. Este gas a menudo se detecta después del uso de hornos. Y como este gas se ha relacionado recientemente con muchos casos de asma en los EE. UU., es importante una detección confiable en concentraciones bajas. El equipo demostró que este nuevo compuesto podría detectar, de forma reversible, el gas en concentraciones tan bajas como 2 partes por millón.

Si bien su demostración estaba dirigida específicamente al dióxido de nitrógeno, dice Gumyusenge, "definitivamente podemos adaptar la química para apuntar a otras moléculas volátiles", siempre que sean pequeños analitos polares, "que tienden a ser la mayoría de los gases tóxicos". P>

Además de ser compatible con un simple detector de mano o un dispositivo tipo alarma de humo, una ventaja del material es que el polímero permite que se deposite como una película uniforme extremadamente delgada, a diferencia de los MOF normales, que generalmente se encuentran en una forma ineficiente. forma de polvo.

Debido a que las películas son tan delgadas, se necesita poco material y los costos de material de producción podrían ser bajos; los métodos de procesamiento podrían ser típicos de los utilizados para procesos de recubrimiento industriales. "Entonces, tal vez el factor limitante sea aumentar la síntesis de los polímeros, que hemos estado sintetizando en pequeñas cantidades", dice Gumyusenge.

"Los próximos pasos serán evaluarlos en entornos de la vida real", afirma. Por ejemplo, el material podría aplicarse como revestimiento en chimeneas o tubos de escape para monitorear continuamente los gases a través de lecturas de un dispositivo de monitoreo de resistencia adjunto. En tales entornos, dice, "Necesitamos pruebas para verificar si realmente lo diferenciamos de otros contaminantes potenciales que podríamos haber pasado por alto en el laboratorio. Coloquemos los sensores en escenarios del mundo real y veamos cómo funcionan". /P>

Más información: Heejung Roh et al, Comportamiento quimioresistivo robusto en compuestos de polímero conductor/MOF, Materiales avanzados (2024). DOI:10.1002/adma.202312382

Información de la revista: Materiales avanzados

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.