La mayoría de los sistemas utilizados para detectar gases tóxicos en entornos industriales o domésticos sólo se pueden utilizar una vez o, en el mejor de los casos, varias veces. Ahora, investigadores del MIT han desarrollado un detector que podría proporcionar un seguimiento continuo de la presencia de estos gases, a bajo coste.
Investigadores del MIT han desarrollado un detector que podría proporcionar un seguimiento continuo de la presencia de gases tóxicos a bajo coste. El equipo utilizó un material llamado estructura organometálica, o MOF (representado como la red negra), que es muy sensible a pequeños rastros de gas pero cuyo rendimiento se degrada rápidamente.
Aristide Gumyusenge y otros
El nuevo sistema combina dos tecnologías existentes, uniéndolas de una manera que preserva las ventajas de cada una, evitando al mismo tiempo sus limitaciones. El equipo utilizó un material llamado estructura organometálica, o MOF, que es muy sensible a pequeños rastros de gas pero cuyo rendimiento se degrada rápidamente, y lo combinó con un material polimérico que es muy duradero y más fácil de procesar, pero mucho menos sensible. . .
Los resultados se publican en la revista. Materiales avanzadosen un artículo de los profesores del MIT Aristide Gumyusenge, Mircea Dinca, Heather Kulik y Jesús del Álamo, el estudiante graduado Heejung Roh y los postdoctorados Dong-Ha Kim, Yeongsu Cho y Young-Moo Jo.
Altamente porosos y con grandes superficies, los MOF vienen en una variedad de composiciones. Algunos pueden ser aislantes, pero los que se utilizan para este trabajo son muy conductores de electricidad. Con su forma esponjosa, son eficaces para capturar moléculas de diversos gases y el tamaño de sus poros se puede adaptar para hacerlos selectivos para ciertos tipos de gases. «Si los utiliza como sensor, puede reconocer si el gas está allí si tiene un efecto sobre la resistividad del MOF», dice Gumyusenge, autor principal del artículo y profesor asistente de desarrollo profesional de Merton C. Flemings. Ciencia e Ingenieria.
La desventaja de utilizar estos materiales como detectores de gases es que se saturan rápidamente y ya no pueden detectar ni cuantificar nuevas entradas. “Eso no es lo que quieres. Quieres poder detectar y reutilizar”, dice Gumyusenge. «Entonces, decidimos utilizar un compuesto polimérico para lograr esta reversibilidad».
El equipo utilizó una clase de polímeros conductores que Gumyusenge y sus colegas habían demostrado previamente que pueden responder a los gases sin unirse permanentemente a ellos. «El polímero, aunque no tiene la gran superficie que tienen los MOF, al menos proporcionará este tipo de fenómeno de reconocimiento y liberación», afirma.
El equipo combinó los polímeros en una solución líquida junto con el material MOF en polvo y depositó la mezcla sobre un sustrato, donde se secaron para formar una capa fina y uniforme. Al combinar el polímero, con su rápida capacidad de detección, y los MOF más sensibles en una proporción de uno a uno, dice, «de repente obtenemos un sensor que tiene tanto la alta sensibilidad que obtenemos del MOF como la reversibilidad que Es posible gracias a la presencia del polímero”.
El material cambia su resistencia eléctrica cuando las moléculas de gas quedan atrapadas temporalmente en el material. Estos cambios en la resistencia se pueden monitorear continuamente simplemente conectando un óhmetro para monitorear la resistencia a lo largo del tiempo. Gumyusenge y sus estudiantes demostraron la capacidad del material compuesto para detectar dióxido de nitrógeno, un gas tóxico producido por varios tipos de combustión, en un pequeño dispositivo a escala de laboratorio. Después de 100 ciclos de detección, el material aún mantuvo su rendimiento inicial dentro de un margen de alrededor del 5 al 10 por ciento, lo que demuestra su potencial para uso a largo plazo.
Además, este material tiene una sensibilidad mucho mayor que la mayoría de los detectores de dióxido de nitrógeno utilizados actualmente, informa el equipo. Este gas suele detectarse después del uso de estufas. Y, dado que este gas se ha relacionado recientemente con muchos casos de asma en los EE. UU., es importante una detección confiable en concentraciones bajas. El equipo demostró que este nuevo compuesto podría detectar gases de forma reversible en concentraciones tan bajas como 2 partes por millón.
Aunque su demostración estaba dirigida específicamente al dióxido de nitrógeno, dice Gumyusenge, «definitivamente podemos adaptar la química para apuntar a otras moléculas volátiles», siempre que sean pequeños analitos polares, «que tienden a ser la mayoría de los gases tóxicos».
Además de ser compatible con un detector portátil simple o un dispositivo tipo alarma de humo, una ventaja del material es que el polímero permite depositarlo como una película extremadamente delgada y uniforme, a diferencia de los MOF normales, que generalmente son ineficientes. forma de polvo. Debido a que las películas son muy delgadas, se necesita poco material y los costos de material de producción pueden ser bajos; Los métodos de procesamiento pueden ser típicos de los utilizados para procesos de recubrimiento industriales. “Quizás el factor limitante sea el aumento en la síntesis de polímeros, que hemos estado sintetizando en pequeñas cantidades”, dice Gumyusenge.
«El próximo paso será evaluarlos en entornos de la vida real», afirma. Por ejemplo, el material podría aplicarse como revestimiento de chimeneas o tubos de escape para monitorear continuamente los gases a través de lecturas de un dispositivo de monitoreo de resistencia adjunto. En estos entornos, afirma, “necesitamos pruebas para ver si realmente lo diferenciamos de otros contaminantes potenciales que quizás hayamos pasado por alto en el entorno del laboratorio. Pongamos los sensores en escenarios del mundo real y veamos cómo funcionan”.
