Het nieuwe systeem combineert twee bestaande technologieën en brengt ze samen op een manier die de voordelen van beide behoudt en hun beperkingen vermijdt. Het team gebruikte een materiaal dat een metaal-organisch raamwerk wordt genoemd, of MOF, dat zeer gevoelig is voor kleine sporen gas maar waarvan de prestaties snel afnemen, en combineerde dit met een polymeermateriaal dat zeer duurzaam en gemakkelijker te verwerken is, maar veel minder gevoelig. .

De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Advanced Materials , in een paper van MIT-professoren Aristide Gumyusenge, Mircea Dinca, Heather Kulik en Jesus del Alamo, afgestudeerde student Heejung Roh, en postdocs Dong-Ha Kim, Yeongsu Cho en Young-Moo Jo.

MOF's zijn zeer poreus en hebben een groot oppervlak en zijn verkrijgbaar in verschillende samenstellingen. Sommige kunnen isolatoren zijn, maar degenen die voor dit werk worden gebruikt, zijn zeer elektrisch geleidend. Met hun sponsachtige vorm zijn ze effectief in het opvangen van moleculen van verschillende gassen, en de grootte van hun poriën kan worden aangepast om ze selectief te maken voor bepaalde soorten gassen.

"Als je ze als sensor gebruikt, kun je herkennen of het gas aanwezig is als het een effect heeft op de weerstand van de MOF", zegt Gumyusenge, senior auteur van het artikel en de Merton C. Flemings Career Development Assistant Professor of Materials Wetenschap en techniek.

Het nadeel van het gebruik van deze materialen als detectoren voor gassen is dat ze snel verzadigd raken en dan niet langer nieuwe inputs kunnen detecteren en kwantificeren. "Dat is niet wat je wilt. Je wilt kunnen detecteren en hergebruiken", zegt Gumyusenge. "Dus hebben we besloten een polymeercomposiet te gebruiken om deze omkeerbaarheid te bereiken."

Het team gebruikte een klasse geleidende polymeren waarvan Gumyusenge en zijn collega's eerder hadden aangetoond dat ze op gassen kunnen reageren zonder zich er permanent aan te binden. "Het polymeer zal, ook al heeft het niet het grote oppervlak dat de MOF's hebben, op zijn minst dit soort 'herken-en-vrijgave'-fenomeen opleveren", zegt hij.

Het team combineerde de polymeren in een vloeibare oplossing samen met het MOF-materiaal in poedervorm en bracht het mengsel op een substraat aan, waar ze droogden tot een uniforme, dunne laag. Door het polymeer, met zijn snelle detectievermogen, en de gevoeliger MOF's te combineren in een één-op-één-verhouding, zegt hij, "krijgen we plotseling een sensor die zowel de hoge gevoeligheid heeft die we krijgen van de MOF als de omkeerbaarheid die dat biedt." wordt mogelijk gemaakt door de aanwezigheid van het polymeer."

Het materiaal verandert zijn elektrische weerstand wanneer moleculen van het gas tijdelijk in het materiaal worden opgesloten. Deze weerstandsveranderingen kunnen continu worden gevolgd door eenvoudigweg een ohmmeter aan te sluiten om de weerstand in de loop van de tijd te volgen. Gumyusenge en zijn studenten demonstreerden het vermogen van het composietmateriaal om stikstofdioxide, een giftig gas dat door vele soorten verbranding wordt geproduceerd, te detecteren in een klein apparaat op laboratoriumschaal. Na 100 detectiecycli behield het materiaal nog steeds zijn basisprestaties binnen een marge van ongeveer 5 tot 10 procent, wat het gebruikspotentieel op de lange termijn aantoont.

Bovendien heeft dit materiaal een veel grotere gevoeligheid dan de meeste momenteel gebruikte detectoren voor stikstofdioxide, meldt het team. Dit gas wordt vaak gedetecteerd na het gebruik van kachelovens. En omdat dit gas onlangs in verband is gebracht met veel astmagevallen in de VS, is betrouwbare detectie in lage concentraties belangrijk. Het team heeft aangetoond dat dit nieuwe composiet het gas op reversibele wijze kan detecteren bij concentraties van slechts 2 delen per miljoen.

Hoewel hun demonstratie specifiek gericht was op stikstofdioxide, zegt Gumyusenge, "kunnen we de chemie zeker afstemmen op andere vluchtige moleculen", zolang het maar kleine polaire analyten zijn, "die meestal de meeste giftige gassen vormen." P>

Behalve dat het compatibel is met een eenvoudige handdetector of een apparaat van het type rookmelder, is een voordeel van het materiaal dat het polymeer ervoor zorgt dat het kan worden afgezet als een extreem dunne uniforme film, in tegenstelling tot gewone MOF's, die over het algemeen inefficiënt zijn. poedervorm.

Omdat de films zo dun zijn, is er weinig materiaal nodig en kunnen de productiemateriaalkosten laag zijn; de verwerkingsmethoden zouden typerend kunnen zijn voor die welke worden gebruikt voor industriële coatingprocessen. "Dus misschien is de beperkende factor het opschalen van de synthese van de polymeren, die we in kleine hoeveelheden hebben gesynthetiseerd", zegt Gumyusenge.

"De volgende stappen zullen zijn om deze in de praktijk te evalueren", zegt hij. Het materiaal zou bijvoorbeeld kunnen worden aangebracht als coating op schoorstenen of uitlaatpijpen om gassen continu te monitoren via metingen van een aangesloten weerstandsbewakingsapparaat. In dergelijke omstandigheden zegt hij:"We hebben tests nodig om te controleren of we het echt kunnen onderscheiden van andere potentiële verontreinigingen die we in de laboratoriumomgeving misschien over het hoofd hebben gezien. Laten we de sensoren in praktijkscenario's inzetten en kijken hoe ze dat doen." /P>

Meer informatie: Heejung Roh et al., Robuust chemisch resistief gedrag in geleidende polymeer/MOF-composieten, Geavanceerde materialen (2024). DOI:10.1002/adma.202312382

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.