Scienziati della Northwestern University di Evanston, L'Illinois ha sviluppato un idrogel integrato con robuste strutture metallo-organiche (MOF) a base di zirconio che degradano rapidamente gli agenti nervini a base di organofosfati utilizzati nella guerra chimica. A differenza degli adsorbenti MOF in polvere esistenti, questo composito di idrogel non richiede acqua aggiunta e può essere facilmente ridimensionato per l'uso in maschere o indumenti protettivi. L'opera appare il 14 luglio sulla rivista Catalisi chimica .

"Gli agenti nervini a base di organofosfati sono tra le sostanze chimiche più tossiche conosciute dall'umanità, " dice l'autore senior Omar Farha, professore di chimica alla Northwestern University. "Il loro uso nei recenti conflitti globali riflette l'urgente necessità di dispositivi di protezione individuale, così come la distruzione di massa di scorte di armi chimiche. In questo lavoro, integriamo MOF e idrogel reticolato contenenti ammina nel tessuto per creare un microambiente adeguato per facilitare la rapida degradazione degli agenti nervini e fornire protezione in tempo reale".

Mentre i MOF hanno precedentemente dimostrato una capacità eccezionalmente veloce di abbattere gli agenti organofosforici e le sostanze chimiche che li simulano in laboratorio, questi adsorbenti in polvere si sono rivelati difficili da integrare direttamente nei panni protettivi. Quando gli agenti nervini si legano ai loro cluster di zirconio-6, spesso disattivano i catalizzatori compositi in polvere e fibrosi. Questa trappola richiede l'uso di soluzioni alcaline per rigenerare i siti catalitici dei MOF, un requisito che non impedisce a tali MOF di essere utilizzati per eliminare le armi chimiche immagazzinate, ma che impedisce il loro utilizzo in dispositivi di protezione indossabili.

Per vincere questa sfida, Farha e colleghi hanno progettato un sistema composito tessile basato su MOF che utilizza l'acqua in un idrogel a base di ammina per abbattere gli agenti nervini. Il materiale funziona riunendo tre componenti chiave per le reazioni di idrolisi che smantellano gli agenti organofosforici tossici. Il nodo di zirconio del MOF fornisce un sito acido di Lewis che attiva il centro del fosforo (la parte attiva dell'agente nervino), mentre i pori dell'idrogel intrappolano l'acqua necessaria. I gruppi amminici di base nello scheletro dell'idrogel generano gruppi idrossilici per facilitare l'attacco nucleofilo sul substrato organofosforico e il successivo spostamento del prodotto di idrolisi sul centro dello zirconio (cioè, turnover catalitico).

I ricercatori hanno integrato questo composito di idrogel con fibre di cotone e lo hanno testato applicando sulla sua superficie una piccola aliquota di un simulante o di un agente nervino reale (testato in collaborazione con il laboratorio dell'esercito americano). Prossimo, hanno analizzato il prodotto e il substrato utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare. Hanno scoperto che il composito ha convertito chimicamente il 99% dell'agente in soli 10 minuti, mantenendo questo alto livello di attività catalitica anche dopo essere stato conservato in una fiala sigillata per 3 mesi.

"Il materiale composito sviluppato qui rappresenta un miglioramento significativo rispetto a quanto sviluppato in precedenza, " dice Farha. "È anche importante notare che le reattività qui riportate con il composito allo stato solido sono paragonabili a quelle ottenute in soluzioni acquose alcaline".

Poiché gli autori prevedono che il nuovo composito di idrogel venga utilizzato come strato reattivo in tute e maschere, rilevano che saranno necessarie ulteriori attività di progettazione e test per integrarlo in questi prodotti esistenti. Però, poiché il metodo utilizzato per produrre il composito è semplice e facilmente scalabile, Farha suggerisce che in futuro potrebbe essere possibile la produzione su larga scala di maschere e tute a base di MOF.

"Stiamo ottimizzando il materiale composito per renderlo adatto alle condizioni del mondo reale, " afferma Farha. "Ci auguriamo che in futuro questi materiali vengano commercializzati e utilizzati per proteggere la vita umana".