Il nuovo sistema combina due tecnologie esistenti, riunendole in modo da preservare i vantaggi di ciascuna evitandone i limiti. Il team ha utilizzato un materiale chiamato struttura metallo-organica, o MOF, che è altamente sensibile a minuscole tracce di gas ma le cui prestazioni si degradano rapidamente, e lo ha combinato con un materiale polimerico altamente durevole e più facile da lavorare, ma molto meno sensibile. .

I risultati sono riportati nella rivista Advanced Materials , in un articolo dei professori del MIT Aristide Gumyusenge, Mircea Dinca, Heather Kulik e Jesus del Alamo, dello studente laureato Heejung Roh e dei postdoc Dong-Ha Kim, Yeongsu Cho e Young-Moo Jo.

Altamente porosi e con ampie superfici, i MOF sono disponibili in una varietà di composizioni. Alcuni possono essere isolanti, ma quelli utilizzati per questo lavoro sono altamente conduttivi elettricamente. Con la loro forma spugnosa, sono efficaci nel catturare molecole di vari gas e le dimensioni dei loro pori possono essere adattate per renderli selettivi per particolari tipi di gas.

"Se li usi come sensore, puoi riconoscere se il gas è lì se ha un effetto sulla resistività del MOF", afferma Gumyusenge, autore senior dell'articolo e professore assistente per lo sviluppo della carriera di Merton C. Flemings. Scienza e ingegneria.

Lo svantaggio dell'utilizzo di questi materiali come rilevatori di gas è che si saturano facilmente e quindi non possono più rilevare e quantificare nuovi input. "Non è quello che vuoi. Vuoi essere in grado di rilevare e riutilizzare", dice Gumyusenge. "Quindi, abbiamo deciso di utilizzare un composito polimerico per ottenere questa reversibilità."

Il team ha utilizzato una classe di polimeri conduttivi che Gumyusenge e i suoi collaboratori avevano precedentemente dimostrato in grado di rispondere ai gas senza legarsi permanentemente ad essi. "Il polimero, anche se non ha l'elevata area superficiale dei MOF, fornirà almeno questo tipo di fenomeno di riconoscimento e rilascio", afferma.

Il team ha combinato i polimeri in una soluzione liquida insieme al materiale MOF in polvere e ha depositato la miscela su un substrato, dove si asciugano formando un rivestimento sottile e uniforme. Combinando il polimero, con la sua capacità di rilevamento rapido, e i MOF più sensibili, in un rapporto uno a uno, afferma, "all'improvviso otteniamo un sensore che ha sia l'elevata sensibilità che otteniamo dal MOF sia la reversibilità che è abilitato dalla presenza del polimero."

Il materiale cambia la sua resistenza elettrica quando le molecole del gas vengono temporaneamente intrappolate nel materiale. Questi cambiamenti di resistenza possono essere monitorati continuamente semplicemente collegando un ohmmetro per monitorare la resistenza nel tempo. Gumyusenge e i suoi studenti hanno dimostrato la capacità del materiale composito di rilevare il biossido di azoto, un gas tossico prodotto da molti tipi di combustione, in un piccolo dispositivo su scala di laboratorio. Dopo 100 cicli di rilevamento, il materiale continuava a mantenere le prestazioni di base entro un margine compreso tra il 5 e il 10% circa, dimostrando il suo potenziale di utilizzo a lungo termine.

Inoltre, questo materiale ha una sensibilità molto maggiore rispetto alla maggior parte dei rilevatori attualmente utilizzati per il biossido di azoto, riferisce il team. Questo gas viene spesso rilevato dopo l'uso dei forni. E, poiché questo gas è stato recentemente collegato a molti casi di asma negli Stati Uniti, è importante un rilevamento affidabile a basse concentrazioni. Il team ha dimostrato che questo nuovo composito potrebbe rilevare, in modo reversibile, il gas a concentrazioni fino a 2 parti per milione.

Anche se la loro dimostrazione era specificamente mirata al biossido di azoto, afferma Gumyusenge, "possiamo sicuramente adattare la chimica per prendere di mira altre molecole volatili", purché siano piccoli analiti polari, "che tendono ad essere la maggior parte dei gas tossici."

Oltre ad essere compatibile con un semplice rilevatore portatile o un dispositivo di allarme di fumo, un vantaggio del materiale è che il polimero consente di depositarlo come una pellicola uniforme estremamente sottile, a differenza dei normali MOF, che sono generalmente in un modo inefficiente sotto forma di polvere.

Poiché le pellicole sono così sottili, è necessario poco materiale e i costi del materiale di produzione potrebbero essere bassi; le modalità di lavorazione potrebbero essere tipiche di quelle utilizzate per i processi di rivestimento industriale. "Quindi, forse il fattore limitante sarà l'incremento della sintesi dei polimeri, che abbiamo sintetizzato in piccole quantità", afferma Gumyusenge.

"Il prossimo passo sarà valutare questi aspetti in contesti di vita reale", afferma. Ad esempio, il materiale potrebbe essere applicato come rivestimento su camini o tubi di scarico per monitorare continuamente i gas attraverso le letture di un dispositivo di monitoraggio della resistenza collegato. In tali contesti, afferma, "Abbiamo bisogno di test per verificare se lo differenziamo veramente da altri potenziali contaminanti che potremmo aver trascurato in laboratorio. Mettiamo i sensori in scenari reali e vediamo come si comportano."