Wykorzystanie nowatorskiego hybrydowego materiału do wykrywania toksycznych gazów
W czasie wielu procesów przemysłowych powstają szkodliwe lotne związki organiczne, czyli gazy, które mogą stanowić poważne zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi. Systemy, które są w stanie wykrywać te związki mogą znaleźć wiele zastosowań – od wykrywania zagrożeń chemicznych, przez kontrolę jakości żywności, aż po monitoring środowiska. Jednym z najbardziej obiecujących obszarów, w których powstają nowatorskie rozwiązania, są struktury metaloorganiczne, które stanowią połączenie metali i materiałów organicznych. Dzięki ich porowatej budowie, gazy – w tym lotne związki organiczne – mogą przez nie przenikać, a także mogą być zatrzymywane wewnątrz struktur, co otwiera możliwości zróżnicowanych oddziaływań. Struktury metaloorganiczne mogą być także osadzane w innych strukturach, co pozwala na tworzenie zarówno niezwykle czułych, jak i selektywnych czujników. „Nowe materiały mogą być stosowane jako aktywne warstwy w prostych czujnikach, które ostrzegają przed zagrożeniami związanymi z wysokimi stężeniami toksycznych związków lotnych”, wyjaśnia Barbara Ventura, starsza badaczka Instytutu Syntezy Organicznej i Fotoreaktywności w Bolonii i koordynatorka projektu SmartMOFs. „Interesujące właściwości luminescencyjne niektórych nowo wyprodukowanych materiałów oferują nowe możliwości wykorzystania ich w roli emiterów bliskiej podczerwieni, co może pozwolić na wykorzystanie ich w dziedzinach bioobrazowania i telekomunikacji”, dodaje badaczka.
Tworzenie inteligentnych metali
„Zastosowane w ramach projektu innowacyjne podejście opierało się na wielofunkcyjnej strukturze opracowanych materiałów – funkcje wykrywania wykorzystują zarówno reakcje optyczne, jak i elektryczne”, dodaje Ventura. Zespół skupiony wokół projektu SmartMOFs zaczął prace od wybrania i opracowania związków metalu i środków chemicznych, wymaganych do stworzenia struktur metaloorganicznych o odpowiednich właściwościach, obejmujących absorpcję i luminescencję, przewodnictwo elektryczne i adsorpcję gazów. „Następnie przeszliśmy do kompletnej charakteryzacji strukturalnej, fotofizycznej i elektrycznej nowych materiałów. Najbardziej obiecujące związki zostały zbadane pod kątem wykrywania toksycznych związków organicznych”, wyjaśnia Ventura. Opracowywane przez naukowców materiały oferują stosowne możliwości w zakresie sygnalizacji optycznej i elektrycznej – w praktyce oznacza to, że w przypadku wykrycia pewnych związków zmieniają kolor lub zmienia się ich luminescencja. W przypadku wystawienia na działanie docelowego gazu, zmienia się także przewodnictwo elektryczne struktury, co również stanowi sygnał. „Niektóre spośród nowych materiałów wykazywały nietypowe i interesujące układy krystaliczne”, twierdzi Ventura. Dwa spośród opracowanych materiałów okazały się doskonałymi źródłami fal w bliskiej podczerwieni. Inne materiały oferowały optyczną reakcję na wodorosiarczek sodu, co wskazuje na możliwość zastosowania ich do wykrywania siarkowodoru – powszechnie występującego toksycznego gazu – a także kwasu octowego.
Podejście oparte na współpracy
„Wsparcie finansowe pozwoliło nam na rozwój badań podstawowych i stosowanych w obszarze, który jest niezwykle ważny dla całej społeczności akademickiej”, twierdzi Ventura. Zespół skupiony wokół projektu nawiązał współpracę z Lucą Mainim z Uniwersytetu w Bolonii, naukowcami z obszaru badawczego CNR w Bolonii oraz przedstawicielami Uniwersytetu w Madrycie. „Wsparcie z działania Maria Skłodowska-Curie było czynnikiem, który pozwolił na przeszkolenie Khaleda Hassaneina, naukowca ze stopniem doktora i stypendysty programu, który zgłębiał temat strukturalnej, fotofizycznej i elektrycznej charakteryzacji ciał stałych, co stanowiło niezwykle ważny krok w rozwoju jego kariery akademickiej”, dodaje Ventura. Rezultaty projektu zostały już zaprezentowane w czasie krajowych i międzynarodowych wydarzeń akademickich. „Obecnie kończymy przygotowania związane z publikacją prac naukowych przedstawiających oraz opisujących rezultaty projektu, a jednocześnie patrzymy z nadzieją w przyszłość, która zaoferuje możliwości zastosowania naszych nowych materiałów do wytwarzania czujników oraz w dziedzinie optoelektroniki”, dodaje Ventura.
Słowa kluczowe
SmartMOFs, metal, czujnik, porowaty, lotny, organiczny, związki, LZO, struktura metaloorganiczna, MOF, gazy, toksyczne
