Wetenschappers van de Northwestern University in Evanston, Illinois heeft een hydrogel ontwikkeld die is geïntegreerd met op zirkonium gebaseerde robuuste metaal-organische raamwerken (MOF's) die op organofosfaat gebaseerde zenuwgassen die worden gebruikt in chemische oorlogsvoering snel afbreken. In tegenstelling tot bestaande poedervormige MOF-adsorbentia, deze hydrogelcomposiet vereist geen toegevoegd water en kan gemakkelijk worden opgeschaald voor gebruik in beschermende maskers of kleding. Het werk verschijnt 14 juli in het tijdschrift Chem Katalyse .

"Op organofosfaat gebaseerde zenuwgassen behoren tot de meest giftige chemicaliën die de mensheid kent, " zegt senior auteur Omar Farha, een professor in de chemie aan de Northwestern University. "Het gebruik ervan in recente wereldwijde conflicten weerspiegelt de dringende behoefte aan persoonlijke beschermingsmiddelen, evenals de massale vernietiging van voorraden chemische wapens. In dit werk, we integreren MOF's en amine-bevattende verknoopte hydrogel in doek om een ​​goede micro-omgeving op te bouwen om de snelle afbraak van zenuwgassen te vergemakkelijken en real-time bescherming te bieden."

Hoewel MOF's eerder een uitzonderlijk snel vermogen hebben aangetoond om organofosforagentia en chemicaliën af te breken die ze in het laboratorium simuleren, deze poedervormige adsorbentia zijn moeilijk direct te integreren in beschermende doeken. Wanneer de zenuwgassen binden aan hun zirkonium-6 clusters, ze deactiveren vaak de poeder- en vezelcomposietkatalysatoren. Deze valkuil vereist het gebruik van alkalische oplossingen om de katalytische locaties van de MOF's te regenereren - een vereiste die niet verhindert dat dergelijke MOF's worden gebruikt om opgeslagen chemische wapens te elimineren, maar die het gebruik ervan in draagbare beschermende kleding belemmert.

Om deze uitdaging te overwinnen, Farha en collega's ontwierpen een MOF-gebaseerd textielcomposietsysteem dat water gebruikt in een op amine gebaseerde hydrogel om zenuwgassen af ​​te breken. Het materiaal werkt door drie belangrijke componenten samen te brengen voor de hydrolysereacties die de giftige organofosformiddelen ontmantelen. De zirkoniumknoop van de MOF biedt een Lewis-zure plaats die het fosforcentrum (het actieve deel van het zenuwgas) activeert, terwijl hydrogelporiën het benodigde water vasthouden. Basische aminegroepen in de hydrogelruggengraat genereren hydroxylgroepen om de nucleofiele aanval op het organofosforsubstraat en daaropvolgende verplaatsing van het hydrolyseproduct op het zirkoniumcentrum (d.w.z. katalytische omzet).

De onderzoekers integreerden dit hydrogelcomposiet met katoenvezels en testten het door een kleine hoeveelheid van een simulant of een echt zenuwgas (getest in samenwerking met het US Army Lab) op het oppervlak aan te brengen. Volgende, ze analyseerden het product en het substraat met behulp van nucleaire magnetische resonantiespectroscopie. Ze ontdekten dat de composiet binnen slechts 10 minuten 99% van het middel chemisch had omgezet, het handhaven van dit hoge niveau van katalytische activiteit, zelfs nadat het gedurende 3 maanden in een afgesloten flesje is bewaard.

"Het hier ontwikkelde composietmateriaal vertegenwoordigt een aanzienlijke verbetering in vergelijking met wat we eerder hebben ontwikkeld, " zegt Farha. "Het is ook belangrijk op te merken dat de hier gerapporteerde reactiviteiten met de composiet in vaste toestand vergelijkbaar zijn met die verkregen in alkalische waterige oplossingen."

Aangezien de auteurs zich voorstellen dat het nieuwe hydrogelcomposiet wordt gebruikt als een reactieve laag in pakken en maskers, ze merken op dat verdere engineering en testen nodig zullen zijn om het in deze bestaande producten te integreren. Echter, aangezien de methode die wordt gebruikt om de composiet te produceren eenvoudig en gemakkelijk schaalbaar is, Farha suggereert dat grootschalige productie van MOF-gebaseerde maskers en pakken in de toekomst mogelijk kan zijn.

"We zijn bezig met het optimaliseren van het composietmateriaal om geschikt te zijn voor reële omstandigheden, " zegt Farha. "We hopen dat deze materialen in de toekomst op de markt zullen worden gebracht en gebruikt om mensenlevens te beschermen."