Istraživači razvili detektor za kontinuirano praćenje toksičnih plinova

Većina sustava koji se koriste za detekciju toksičnih plinova u industrijskim ili kućnim uvjetima mogu se koristiti samo jednom ili u najboljem slučaju nekoliko puta. Sada su istraživači s MIT-a razvili detektor koji bi mogao osigurati kontinuirano praćenje prisutnosti ovih plinova, po niskoj cijeni.

Novi sustav kombinira dvije postojeće tehnologije, spajajući ih na način koji čuva prednosti svake izbjegavajući njihova ograničenja. Tim je upotrijebio materijal nazvan metalno-organski okvir ili MOF, koji je vrlo osjetljiv na niske koncentracije plina, ali čija se učinkovitost brzo smanjuje, i kombinirao ga je s polimernim materijalom koji je vrlo izdržljiv i lakši za obradu, ali mnogo manje osjetljiv.

Rezultati su objavljeni danas u časopisu Advanced Materials, u radu profesora MIT-a Aristidea Gumyusengea, Mircea Dinca, Heather Kulik i Jesus del Alamo, studenta Heejunga Roha i postdoktoranata Dong-Ha Kima, Yeongsu Choa i Young-Mooa Jo.

Visoko porozni i s velikim površinama, MOF-ovi dolaze u različitim sastavima. Neki mogu biti izolatori, ali oni koji se koriste za ovaj rad su visoko električki vodljivi. Svojim spužvastim oblikom učinkoviti su u hvatanju molekula raznih plinova, a veličine njihovih pora mogu se prilagoditi kako bi bili selektivni za određene vrste plinova. “Ako ih koristite kao senzor, možete prepoznati postoji li plin ako ima učinak na otpornost MOF-a”, kaže Gumyusenge, viši autor rada i izvanredni profesor na institutu Merton C. Flemings za razvoj karijera na području inženjerstva materijala i znanosti.

Nedostatak upotrebe ovih materijala kao detektora za plinove je to što oni lako postaju zasićeni, a zatim više ne mogu detektirati i kvantificirati nove ulaze. “To nije ono što želiš. Želite biti u mogućnosti otkriti i ponovno upotrijebiti,” kaže Gumyusenge. “Dakle, odlučili smo upotrijebiti polimerni kompozit kako bismo postigli ovu reverzibilnost.”

Tim je koristio klasu vodljivih polimera za koje su Gumyusenge i njegovi suradnici prethodno pokazali da mogu reagirati na plinove bez trajnog vezanja za njih. “Polimer, iako nema veliku površinu kao MOF-ovi, barem će pružiti ovu vrstu fenomena prepoznavanja i otpuštanja”, kaže on.

Tim je kombinirao polimere u tekućoj otopini zajedno s MOF materijalom u praškastom obliku i smjesu nanio na podlogu, gdje su se osušili u jednoliku, tanku prevlaku. Kombinacijom polimera, s njegovom sposobnošću brzog otkrivanja, i osjetljivijih MOF-ova, u omjeru jedan prema jedan, kaže on, “odjednom dobivamo senzor koji ima i visoku osjetljivost koju dobivamo od MOF-a i reverzibilnost koja je omogućena prisustvom polimera.”

Materijal mijenja svoj električni otpor kada su molekule plina privremeno zarobljene u materijalu. Ove promjene otpora mogu se kontinuirano pratiti jednostavnim pričvršćivanjem ohmmetra za praćenje otpora tijekom vremena. Gumyusenge i njegovi studenti demonstrirali su sposobnost kompozitnog materijala da otkrije dušikov dioksid, otrovni plin koji nastaje mnogim vrstama izgaranja, u malom uređaju laboratorijskih razmjera. Nakon 100 ciklusa detekcije, materijal je još uvijek održavao svoju osnovnu izvedbu unutar raspona od oko 5 do 10 posto, pokazujući svoj potencijal dugoročne upotrebe.

Osim toga, ovaj materijal ima daleko veću osjetljivost od većine trenutno korištenih detektora za dušikov dioksid, izvješćuje tim. Ovaj plin se često detektira nakon uporabe pećnice. A budući da je ovaj plin nedavno povezan s mnogim slučajevima astme u SAD-u, važno je pouzdano otkrivanje u niskim koncentracijama. Tim je pokazao da ovaj novi kompozit može detektirati, reverzibilno, plin u koncentracijama do 2 ppm.

Dok je njihova demonstracija bila posebno usmjerena na dušikov dioksid, Gumyusenge kaže, “definitivno možemo prilagoditi kemiju da cilja druge hlapljive molekule”, sve dok su mali polarni analiti, “koji su obično većina otrovnih plinova.”

Osim što je kompatibilan s jednostavnim ručnim detektorom ili detektorom za detekciju dima, jedna od prednosti materijala je ta što polimer omogućuje njegovo taloženje kao iznimno tanak jednolik film, za razliku od uobičajenih MOF-ova, koji su općenito neučinkoviti u obliku praha. Budući da su filmovi izuzetno tanki, potrebno je malo materijala i troškovi materijala za proizvodnju mogu biti niski; metode obrade mogle bi biti tipične za one koje se koriste za industrijske procese premazivanja. “Dakle, možda će ograničavajući faktor biti povećanje sinteze polimera, koje smo sintetizirali u malim količinama”, kaže Gumyusenge.

“Sljedeći koraci bit će njihova procjena u stvarnim situacijama”, kaže on. Na primjer, materijal se može nanijeti kao premaz na dimnjake ili ispušne cijevi za kontinuirano praćenje plinova pomoću očitanja s priključenog uređaja za praćenje otpora. U takvim okruženjima, kaže on, “potrebni su nam testovi kako bismo provjerili razlikujemo li ga doista od drugih potencijalnih zagađivača koje smo možda previdjeli u laboratorijskim uvjetima. Stavimo senzore u stvarne situacije i vidimo kako rade.”