Pesquisadores do MIT desenvolveram um detector que pode fornecer monitoramento contínuo da presença de gases tóxicos, com 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. Crédito:Aristide Gumyusenge e outros A maioria dos sistemas utilizados para detectar gases tóxicos em ambientes industriais ou domésticos pode ser utilizado apenas uma vez ou, na melhor das hipóteses, algumas vezes. Agora, pesquisadores do MIT desenvolveram um detector que poderá fornecer monitoramento contínuo da presença desses gases, com baixo custo.
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 na revista Advanced Materials , em 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.
Altamente porosos e com grandes áreas de superfície, os MOFs vêm em uma variedade de composições. Alguns podem ser isolantes, mas os utilizados para este trabalho são altamente condutores elétricos. 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 haviam demonstrado anteriormente que podem responder a gases sem se ligarem permanentemente a eles. “O polímero, embora não tenha a grande área superficial que os MOFs têm, pelo menos fornecerá esse tipo de fenômeno de reconhecimento e liberação”, diz ele.
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 muitos 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 fogões. E, com este gás recentemente associado a muitos casos de asma nos EUA, a detecção confiável 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.
Embora a sua demonstração tenha sido especificamente dirigida ao dióxido de azoto, diz Gumyusenge, “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 anexado. Nesses ambientes, diz ele, "Precisamos de testes para verificar se realmente o diferenciamos de outros contaminantes potenciais que podemos ter negligenciado no laboratório. Vamos colocar os sensores em cenários do mundo real e ver como eles se comportam."
