Un nouveau matériau hybride peut être exploité pour détecter les gaz toxiques
De nombreux processus industriels produisent des composés organiques volatils (COV) dangereux: des gaz pouvant avoir des effets négatifs graves sur la santé humaine. Des systèmes capables de détecter les COV pourraient avoir des utilisations multiples, de la détection des menaces chimiques au contrôle de la qualité des aliments en passant par la surveillance environnementale. La classe de réseaux métallo-organiques (MOF pour metal-organic frameworks) représente l’un des développements hautement prometteurs dans cette sphère. Les MOF sont composés d’un mélange de métaux et de matériaux organiques. Ils sont poreux pour que les gaz comme les COV puissent passer au travers, se retrouver piégés à l’intérieur et être manipulés comme souhaité. Les MOF peuvent ensuite être intégrés dans d’autres structures, afin de former des systèmes de détection sensibles et sélectifs. «Les nouveaux matériaux peuvent servir de couches actives dans des dispositifs de détection faciles à utiliser, qui avertissent de la présence de concentrations alarmantes de composés volatils toxiques», explique Barbara Ventura, chercheuse principale à l’institut pour la synthèse organique et la photoréactivité de Bologne, en Italie, qui supervise le projet SmartMOFs. «Les propriétés de luminescence remarquables de certains des matériaux récemment produits laissent entendre une application prochaine pour des émetteurs de proche infrarouge, qui pourraient être employés dans les domaines de l’imagerie biomédicale et des télécommunications», ajoute-t-elle.
Création des métaux intelligents
«L’approche au caractère innovant était fondée sur une conception multifonctionnelle des matériaux, dans laquelle la base de la fonction de détection reposait sur l’association de réponses optiques et électriques», indique B. Ventura. L’équipe du projet SmartMOFs a tout d’abord sélectionné et conçu les compositions chimiques et métalliques requises pour créer des MOF dotés des propriétés adéquates, notamment l’absorption et la luminescence, la conductivité électrique et l’absorption des gaz. «Nous sommes ensuite passés à la caractérisation structurelle, photophysique et électrique complète des matériaux nouvellement préparés. Les composés les plus prometteurs ont été testés pour leur réponse de détection face aux composés organiques toxiques», explique B. Ventura. Les matériaux sont créés en intégrant des capacités de signalisation optique et électrique appropriées, ce qui signifie qu’ils peuvent changer de couleur, ou de luminescence, lorsqu’ils sont en présence de certains composés. Lorsqu’ils sont exposés à un composé gazeux cible, la conductivité électrique varie et indique un signal. «Certains des nouveaux matériaux présentaient une disposition de cristaux inhabituelle et intéressante», affirme B. Ventura. Deux d’entre eux se sont avérés extrêmement émissifs dans la région du proche infrarouge. D’autres ont affiché une réponse optique à l’hydrogénosulfure de sodium, ce qui présageait une application pour la détection de sulfure d’hydrogène (un gaz toxique connu) et d’acide acétique.
Une approche collaborative
«La subvention a permis le développement d’une recherche basique et appliquée dans un domaine très pertinent pour la communauté scientifique», déclare B. Ventura. L’équipe a collaboré avec Lucia Maini, de l’université de Bologne, des collègues venant de l’espace de recherche du CNR de Bologne et des collègues de l’université autonome de Madrid. «La subvention des actions Marie Skłodowska-Curie a été déterminante pour la formation du chercheur post-doctorant et associé Khaled Hassanein sur la caractérisation structurelle, photophysique et électrique de matériaux solides, et a représenté une étape importante pour le développement de sa carrière», ajoute-t-elle. Les résultats du projet ont déjà été diffusés dans quelques événements nationaux et internationaux. «Nous sommes actuellement en train de finaliser la préparation et les soumissions d’articles scientifiques qui décrivent et exposent les résultats du projet, et nous espérons de potentielles applications pour les nouveaux matériaux en détection et en optoélectronique», précise B. Ventura.
Mots‑clés
SmartMOFs, métal, capteur, poreux, volatil, organique, composés, COV, réseau métallo-organique, MOF, gaz, toxique
