Por
Os pesquisadores do MIT desenvolveram um novo sistema de detecção de gases que combina estruturas metal-orgânicas com um polímero durável para permitir o monitoramento contínuo e sensível de gases tóxicos como o dióxido de nitrogênio. Este novo sensor pode detectar baixa
Um avanço na tecnologia de detecção de gás em COM combina alta sensibilidade e monitoramento contínuo. O material poderia ser feito como um revestimento fino para analisar a qualidade do ar em ambientes industriais ou domésticos.
A maioria dos sistemas concebidos para detectar gases tóxicos em ambientes industriais ou domésticos estão limitados a utilizações únicas ou mínimas. Pesquisadores do MIT, porém, criaram um detector capaz de fornecer monitoramento contínuo e de baixo custo desses gases.
O novo sistema combina duas tecnologias existentes, reunindo-as de uma forma que preserva as vantagens de cada uma, evitando as suas limitações. A equipe usou um material chamado estrutura metal-orgânica, ou MOF, que é altamente sensível a pequenos traços de gás, mas cujo desempenho se degrada rapidamente, e combinou-o com um material polimérico que é altamente durável e mais fácil de processar, mas muito menos sensível. .
Os resultados são relatados hoje na revista Materiais avançadosem um artigo dos professores do MIT Aristide Gumyusenge, Mircea Dinca, Heather Kulik e Jesus del Alamo, da estudante de graduação Heejung Roh e dos pós-doutorados Dong-Ha Kim, Yeongsu Cho e Young-Moo Jo.
Pesquisadores do MIT desenvolveram um detector que poderia fornecer monitoramento contínuo da presença de gases tóxicos, a baixo custo. A equipe usou um material chamado estrutura metal-orgânica, ou MOF (retratado como a rede preta), que é altamente sensível a pequenos vestígios de gás, mas cujo desempenho se degrada rapidamente. Eles combinaram o MOF com um material polimérico, mostrado como fios translúcidos azul-petróleo, que é altamente durável, mas muito menos sensível. Crédito: Cortesia dos pesquisadores
Combinação inovadora de materiais
Altamente poroso e com grandes áreas superficiais, MOFs vêm em uma variedade de composições. Alguns podem ser isolantes, mas os utilizados para este trabalho são altamente condutores de eletricidade. Com a sua forma esponjosa, são eficazes na captura de moléculas de vários gases, e os tamanhos dos seus poros podem ser adaptados para torná-los seletivos para determinados tipos de gases. “Se você os estiver usando como um sensor, poderá reconhecer se o gás está lá se ele tiver um efeito na resistividade do MOF”, diz Gumyusenge, autor sênior do artigo e professor assistente de desenvolvimento de carreira de Merton C. Flemings. Ciência e Engenharia.
A desvantagem do uso desses materiais como detectores de gases é que eles ficam rapidamente saturados e não conseguem mais detectar e quantificar novos insumos. “Não é isso que você quer. Você quer ser capaz de detectar e reutilizar”, diz Gumyusenge. “Então, decidimos usar um compósito polimérico para conseguir essa reversibilidade.”
A equipe usou uma classe de polímeros condutores que Gumyusenge e seus colegas de trabalho desenvolveram. mostrado anteriormente pode responder aos gases sem se ligar permanentemente a eles. “O polímero, embora não tenha a grande área superficial que os MOFs têm, pelo menos proporcionará esse tipo de fenômeno de reconhecimento e liberação”, diz ele.
Os pesquisadores demonstraram a capacidade do material de detectar óxido nitroso, um gás tóxico produzido por vários tipos de combustão, em um pequeno dispositivo em escala de laboratório. Após 100 ciclos de detecção, o material ainda mantinha seu desempenho inicial dentro de uma margem de cerca de 5 a 10 por cento, demonstrando seu potencial de uso a longo prazo. Aqui está o layout da configuração de detecção. Crédito: Cortesia dos pesquisadores
Capacidades de detecção aprimoradas
A equipe combinou os polímeros em uma solução líquida junto com o material MOF em pó e depositou a mistura em um substrato, onde secaram formando um revestimento fino e uniforme. Ao combinar o polímero, com a sua capacidade de detecção rápida, e os MOFs mais sensíveis, numa proporção de um para um, diz ele, “de repente obtemos um sensor que tem tanto a alta sensibilidade que obtemos do MOF como a reversibilidade que é possibilitado pela presença do polímero.”
O material muda sua resistência elétrica quando moléculas do gás ficam temporariamente presas no material. Essas mudanças na resistência podem ser monitoradas continuamente simplesmente conectando um ohmímetro para monitorar a resistência ao longo do tempo. Gumyusenge e seus alunos demonstraram a capacidade do material compósito de detectar dióxido de nitrogênio, um gás tóxico produzido por vários tipos de combustão, em um pequeno dispositivo em escala de laboratório. Após 100 ciclos de detecção, o material ainda mantinha seu desempenho inicial dentro de uma margem de cerca de 5 a 10 por cento, demonstrando seu potencial de uso a longo prazo.
Além disso, este material tem uma sensibilidade muito maior do que a maioria dos detectores de dióxido de nitrogênio usados atualmente, relata a equipe. Este gás é frequentemente detectado após o uso de fornos de fogão. E, com este gás recentemente associado a muitos casos de asma nos EUA, a detecção fiável em baixas concentrações é importante. A equipe demonstrou que este novo compósito poderia detectar, de forma reversível, o gás em concentrações tão baixas quanto 2 partes por milhão.
Aplicações e direções futuras
Embora a sua demonstração tenha sido especificamente dirigida ao dióxido de azoto, Gumyusenge diz: “Podemos definitivamente adaptar a química para atingir outras moléculas voláteis”, desde que sejam pequenos analitos polares, “que tendem a ser a maioria dos gases tóxicos”.
Além de ser compatível com um simples detector portátil ou com um dispositivo do tipo alarme de fumaça, uma vantagem do material é que o polímero permite que ele seja depositado como um filme extremamente fino e uniforme, ao contrário dos MOFs normais, que geralmente são ineficientes. forma de pó. Como os filmes são muito finos, há pouco material necessário e os custos do material de produção podem ser baixos; os métodos de processamento podem ser típicos daqueles utilizados para processos de revestimento industrial. “Então, talvez o fator limitante seja o aumento da síntese dos polímeros, que temos sintetizado em pequenas quantidades”, diz Gumyusenge.
“Os próximos passos serão avaliá-los em ambientes da vida real”, diz ele. Por exemplo, o material poderia ser aplicado como revestimento em chaminés ou tubos de exaustão para monitorar continuamente gases através de leituras de um dispositivo de monitoramento de resistência acoplado. Nesses ambientes, diz ele, “precisamos de testes para verificar se realmente o diferenciamos de outros contaminantes potenciais que podemos ter negligenciado no ambiente de laboratório. Vamos colocar os sensores em cenários do mundo real e ver como eles funcionam.”
Referência: “Robust Chemiresistive Behavior in Conductive Polymer/MOF Composites” por Heejung Roh, Dong-Ha Kim, Yeongsu Cho, Young-Moo Jo, Jesús A. del Alamo, Heather J. Kulik, Mircea Dincă e Aristide Gumyusenge, 17 de abril de 2024 , Materiais avançados.
DOI: 10.1002/adma.202312382
O trabalho foi apoiado pelo Consórcio de Clima e Sustentabilidade do MIT (MCSC), pelo Laboratório de Sistemas de Água e Alimentos Abdul Latif Jameel (J-WAFS) do MIT e pelo Departamento de Energia dos EUA.
