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Un nuovo materiale ibrido può essere sfruttato per rilevare i gas tossici

Combinare i metalli con materiali organici potrebbe portare all’ideazione di sensori di nuova generazione. Dal rilevamento dei gas tossici al monitoraggio ambientale, la progettazione multifunzionale di un materiale innovativo apre le porte ad applicazioni industriali di ampio respiro.

Tecnologie industriali

Molti processi industriali producono composti organici volatili (COV) nocivi, ovvero gas che possono avere effetti negativi gravi sulla salute umana. I sistemi in grado di rilevare i COV potrebbero avere una vasta gamma di usi, dal rilevamento delle minacce chimiche al controllo della qualità degli alimenti, fino al monitoraggio ambientale. Uno sviluppo estremamente promettente in questo campo è la classe delle strutture metallorganiche (MOF), costituite da una combinazione di metalli e materiali organici. Si tratta di strutture porose, perciò i gas come i COV possono attraversarle e rimanervi intrappolati, ed è così possibile interagire con essi nel modo desiderato. Le MOF possono poi essere incorporate in altre strutture per formare sistemi di rilevamento sensibili e selettivi. «I nuovi materiali possono essere usati come strati attivi in dispositivi di rilevamento facili da usare che avvertono della presenza di concentrazioni allarmanti di composti volatili tossici», spiega Barbara Ventura, prima ricercatrice presso l’Istituto per la sintesi organica e la fotoreattività di Bologna e supervisore del progetto SmartMOFs. «Le interessanti proprietà di luminescenza di alcuni dei materiali di nuova produzione suggeriscono un’ulteriore applicazione come emettitori nel vicino infrarosso, che potrebbero essere usati nel campo della bioimmaginografia e delle telecomunicazioni», aggiunge.

Creare i metalli intelligenti

«L’approccio innovativo si basava su una progettazione multifunzionale dei materiali, in cui una combinazione di risposte ottiche ed elettriche era alla base della funzione di rilevamento», afferma Ventura. Il gruppo di ricerca di SmartMOFs ha prima selezionato e progettato le composizioni metalliche e chimiche richieste per creare MOF con le giuste proprietà, fra cui l’assorbimento e la luminescenza, la conduttività elettrica e l’adsorbimento dei gas. «Ci siamo poi spostati sulla completa caratterizzazione strutturale, fotofisica ed elettrica dei materiali appena preparati. I composti più promettenti sono stati testati per la loro risposta di rilevamento nei confronti di composti organici tossici», spiega Ventura. I materiali sono creati con le adeguate capacità di segnalazione ottica ed elettrica, il che significa che possono cambiare colore o luminescenza in presenza di determinati composti. Quando sono esposti a un composto gassoso bersaglio, la conduttività elettrica si altera come segnale. «Alcuni dei nuovi materiali presentavano disposizioni dei cristalli insolite e interessanti», afferma Ventura. Si è scoperto che due erano intensamente emissivi nello spettro del vicino infrarosso, mentre altri hanno mostrato una risposta ottica all’idrosolfuro di sodio, anticipando una sua possibile applicazione per il rilevamento dell’acido solfidrico (un noto gas velenoso), e all’acido acetico.

Approccio collaborativo

«Il finanziamento ha consentito di sviluppare la ricerca di base e applicata, in un ambito molto importante per la comunità scientifica», afferma Ventura. Il gruppo ha collaborato con Lucia Maini dell’Università di Bologna, con i colleghi dell’Area della Ricerca del CNR di Bologna e con i colleghi dell’Università di Madrid. «Il finanziamento Marie Skłodowska-Curie Actions è stato fondamentale per la formazione del ricercatore post-doc e borsista Khaled Hassanein sulla caratterizzazione strutturale, fotofisica ed elettrica dei materiali solidi e ha rappresentato un passo importante per lo sviluppo della sua carriera», aggiunge Ventura. I risultati del progetto sono già stati divulgati in diversi eventi nazionali e internazionali. «Adesso stiamo completando la preparazione e la presentazione di articoli scientifici che descrivono e discutono i risultati del progetto e attendiamo con ansia le possibili applicazioni dei nuovi materiali nei settori del rilevamento e dell’optoelettronica», conclude Ventura.

Parole chiave

SmartMOFs, metallo, sensore, poroso, volatile, organico, composti, COV, struttura metallorganica, MOF, gas, velenoso

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