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Smart Metal Organic Frameworks for Sensing Volatile Organic Compounds

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Neuartiges Hybridmaterial kann zur Detektion giftiger Gase genutzt werden

Die Kombination von Metallen mit organischen Materialien könnte zu Sensoren einer neuen Generation führen. Von der Detektion giftiger Gase bis zur Umweltüberwachung – die multifunktionale Gestaltung neuartiger Materialien öffnet die Tür für eine Vielzahl industrieller Anwendungen.

Industrielle Technologien

Viele industrielle Verfahren erzeugen schädliche flüchtige organische Verbindungen – Gase, die sich sehr negativ auf die menschliche Gesundheit auswirken können. Systeme, die flüchtige organische Verbindungen detektieren können, könnten in einem breiten Spektrum von Anwendungsfällen genutzt werden, das von der Erkennung chemischer Gefahren bis hin zur Lebensmittelqualitätskontrolle und Umweltüberwachung reicht. Eine immens vielversprechende Entwicklung auf diesem Gebiet ist die Klasse metallorganischer Gerüstverbindungen. Metallorganische Gerüstverbindungen bestehen aus einer Kombination von Metallen und organischen Materialien. Diese Gerüstverbindungen sind porös, sodass sie von Gasen wie flüchtigen organischen Verbindungen durchquert werden können, die im Inneren eingeschlossen werden und eine gewünschte Wechselwirkung zeigen. Metallorganische Gerüstverbindungen können anschließend in weitere Strukturen eingebettet werden, um empfindliche und selektive Detektionssysteme einzurichten. „Die neuen Materialien können als aktive Schichten in benutzerfreundlichen Sensoren verwendet werden, die Warnungen über die Präsenz alarmierender Konzentrationen giftiger flüchtiger Verbindungen bereitstellen“, erklärt Barbara Ventura, leitende Forscherin am Institut für organische Synthesen und Photoreaktivität in Bologna, Italien, die mit der Leitung des Projekts SmartMOFs betraut ist. „Die interessanten Lumineszenzeigenschaften einiger der neu hergestellten Materialien lassen auf weitere Anwendungsmöglichkeiten als Nahinfrarot-Emitter schließen, die in den Bereichen der biomedizinischen Bildgebung und Telekommunikation verwendet werden könnten“, merkt sie an.

Intelligente Metalle erschaffen

„Der innovative Ansatz basiert auf einer multifunktionalen Auslegung der Materialien, wobei eine Kombination optischer und elektrischer Reaktionen die Grundlage für die Sensorfunktion bildete“, sagt Ventura. Das SmartMOFs-Team wählte zuerst das Metall und die chemischen Zusammensetzungen aus, die für die Herstellung metallorganischer Gerüstverbindungen mit den richtigen Eigenschaften erforderlich waren, darunter die Absorption und Lumineszenz, elektrische Leitfähigkeit und Gasadsorption. „Wir wandten uns dann der vollständigen strukturellen, photophysikalischen und elektrischen Charakterisierung der neu hergestellten Materialien zu. Die aussichtsreichsten Verbindungen wurden auf ihre sensorische Reaktion gegenüber giftigen organischen Verbindungen hin überprüft“, erklärt Ventura. Die Materialien werden mit den angemessenen optischen und elektrischen Signalgebungsfähigkeiten geschaffen, sie können also in der Gegenwart bestimmter Verbindungen die Farbe oder Lumineszenz ändern. Bei der Exposition gegenüber einer gasförmigen Zielverbindung verändert sich die elektrische Leitfähigkeit als Signal. „Manche der neuen Materialien wiesen ungewöhnliche und interessante Kristallanordnungen auf“, sagt Ventura. Es wurde festgestellt, dass zwei Materialien im Nahinfrarotbereich stark emissiv waren. Andere zeigten eine optische Reaktion auf Natriumhydrogensulfid und könnten daher zur Detektion von Schwefelwasserstoff (ein bekanntes giftiges Gas) und Essigsäure verwendet werden.

Kooperativer Ansatz

„Das Stipendium ermöglichte die Entwicklung von Grundlagen- und angewandter Forschung in einem Bereich von hoher Relevanz für die Wissenschaftsgemeinde“, sagt Ventura. Das Team arbeitete mit Lucia Maini an der Universität Bologna, mit Kolleginnen und Kollegen vom CNR-Forschungszentrum von Bologna sowie mit Kolleginnen und Kollegen von der Universität Madrid zusammen. „Das Stipendium der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahme war essenziell für die Ausbildung des promovierten Forschers und Stipendiaten Khaled Hassanein in der strukturellen, photophysikalischen und elektrischen Charakterisierung fester Materialien und stellte einen wichtigen Schritt für die Entwicklung seiner Berufslaufbahn dar“, fügt Ventura hinzu. Die Projektergebnisse wurden bereits auf mehreren nationalen und internationalen Veranstaltungen verbreitet. „Wir schließen jetzt die Erstellung und Einreichung wissenschaftlicher Arbeiten ab, welche die Ergebnisse des Projekts beschreiben und erörtern, und wir freuen uns auf die mögliche Anwendung der neuen Materialien im Bereich der Sensorik und Optoelektronik“, sagt Ventura.

Schlüsselbegriffe

SmartMOFs, Metall, Sensor, porös, flüchtige, organische Verbindungen, metallorganische Gerüstverbindungen, Gase, giftig

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