חוקרי MIT פיתחו מערכת חדשנית לגילוי גזים המשלבת מסגרות מתכת-אורגניות עם פולימר עמיד כדי לאפשר ניטור רציף ורגיש של גזים רעילים כמו חנקן דו חמצני. חיישן חדש זה יכול לזהות נמוך
פריצת דרך בטכנולוגיית גילוי גז ב MIT משלב רגישות גבוהה וניטור רציף. החומר יכול להיעשות כציפוי דק לניתוח איכות האוויר בסביבה תעשייתית או ביתית.
רוב המערכות המיועדות לזיהוי גזים רעילים בסביבות תעשייתיות או ביתיות מוגבלות לשימושים בודדים או מינימליים. חוקרים ב-MIT, לעומת זאת, יצרו גלאי המסוגל לספק ניטור רציף ובעלות נמוכה של גזים אלה.
המערכת החדשה משלבת שתי טכנולוגיות קיימות, ומביאה אותן יחדיו באופן שמשמר את היתרונות של כל אחת מהן תוך הימנעות ממגבלותיה. הצוות השתמש בחומר שנקרא מסגרת מתכת אורגנית, או MOF, שהוא רגיש מאוד לשאריות זעירות של גז, אך הביצועים שלו מתכלים במהירות, ושילב אותו עם חומר פולימרי שהוא עמיד מאוד וקל יותר לעיבוד, אבל הרבה פחות רגיש. .
התוצאות מדווחות היום בכתב העת חומרים מתקדמיםבמאמר מאת הפרופסורים של MIT אריסטיד גומיוסנג', מירצ'ה דינקה, הת'ר קוליק וישו דל אלאמו, הסטודנט לתואר שני Heejung Roh והפוסט-דוקטורנטים דונג-הא קים, יונגסו צ'ו ויאנג-מו ג'ו.
חוקרים ב-MIT פיתחו גלאי שיכול לספק ניטור רציף עבור נוכחות של גזים רעילים, בעלות נמוכה. הצוות השתמש בחומר שנקרא מסגרת מתכת אורגנית, או MOF (בתמונה בתור הסריג השחור), שהוא רגיש מאוד לעקבות זעירות של גז, אך הביצועים שלו מתדרדרים במהירות. הם שילבו את ה-MOF עם חומר פולימרי, המוצג כגדילים השקופים בצבע צהבהב, שהוא עמיד מאוד אבל הרבה פחות רגיש. קרדיט: באדיבות החוקרים
שילוב חומרים חדשני
נקבובי מאוד ועם שטחי פנים גדולים, MOFs מגיעים במגוון הרכבים. חלקם יכולים להיות מבודדים, אבל אלה המשמשים לעבודה זו הם בעלי מוליכות חשמלית גבוהה. עם צורתם דמוית הספוג, הם יעילים בלכידת מולקולות של גזים שונים, וניתן להתאים את גודל הנקבוביות שלהם כדי להפוך אותם לסלקטיביים עבור סוגים מסוימים של גזים. "אם אתה משתמש בהם כחיישן, אתה יכול לזהות אם הגז נמצא שם אם יש לו השפעה על ההתנגדות של ה-MOF", אומר Gumyusenge, המחבר הבכיר של המאמר ועוזר פיתוח הקריירה של מרטון סי פלמינגס לחומרים מדע והנדסה.
החיסרון בשימוש בחומרים אלה כגלאים לגזים הוא שהם הופכים בקלות לרוויים, ואז אינם יכולים עוד לזהות ולכמת תשומות חדשות. "זה לא מה שאתה רוצה. אתה רוצה להיות מסוגל לזהות ולעשות שימוש חוזר", אומר Gumyusenge. "לכן, החלטנו להשתמש בקומפוזיט פולימרי כדי להשיג הפיכות זו."
הצוות השתמש בסוג של פולימרים מוליכים ש-Gumyusenge ועמיתיו הראו בעבר שהם יכולים להגיב לגזים מבלי להיקשר אליהם באופן קבוע. "הפולימר, למרות שאין לו את שטח הפנים הגבוה שיש ל-MOFs, לפחות יספק את סוג התופעה הזו לזהות ולשחרר", הוא אומר.
חוקרים הדגימו את יכולתו של החומר לזהות תחמוצת חנקן, גז רעיל המיוצר על ידי סוגים רבים של בעירה, במכשיר קטן בקנה מידה מעבדה. לאחר 100 מחזורי זיהוי, החומר עדיין שמר על ביצועי הבסיס שלו בטווח של כ-5 עד 10 אחוזים, מה שמוכיח את פוטנציאל השימוש שלו לטווח ארוך. להלן הפריסה של מערך החישה. קרדיט: באדיבות החוקרים
יכולות חישה משופרות
הצוות שילב את הפולימרים בתמיסה נוזלית יחד עם חומר ה-MOF בצורת אבקה, והפקיד את התערובת על מצע, שם הם מתייבשים לציפוי אחיד ודק. על ידי שילוב של הפולימר, עם יכולת הזיהוי המהירה שלו, וה-MOF הרגישים יותר, ביחס של אחד לאחד, הוא אומר, "פתאום אנחנו מקבלים חיישן שיש לו גם את הרגישות הגבוהה שאנחנו מקבלים מה-MOF וגם את הפיכות שיש מתאפשר על ידי נוכחות הפולימר."
החומר משנה את ההתנגדות החשמלית שלו כאשר מולקולות של הגז נלכדות בחומר באופן זמני. ניתן לעקוב אחר השינויים הללו בהתנגדות באופן רציף על ידי חיבור של מד אוהם כדי לעקוב אחר ההתנגדות לאורך זמן. Gumyusenge ותלמידיו הדגימו את יכולתו של החומר המרוכב לזהות חנקן דו חמצני, גז רעיל המיוצר על ידי סוגים רבים של בעירה, במכשיר קטן בקנה מידה מעבדה. לאחר 100 מחזורי זיהוי, החומר עדיין שמר על ביצועי הבסיס שלו בטווח של כ-5 עד 10 אחוזים, מה שמוכיח את פוטנציאל השימוש שלו לטווח ארוך.
בנוסף, לחומר הזה יש רגישות הרבה יותר גדולה מזו של מרבית הגלאים המשמשים כיום לחנקן דו חמצני, כך מדווח הצוות. גז זה מתגלה לעתים קרובות לאחר שימוש בתנורים לכיריים. ועם גז זה שנקשר לאחרונה למקרי אסטמה רבים בארה"ב, זיהוי אמין בריכוזים נמוכים חשוב. הצוות הוכיח שחומר מרוכב חדש זה יכול לזהות, באופן הפיך, את הגז בריכוזים נמוכים של 2 חלקים למיליון.
יישומים וכיוונים עתידיים
בעוד שההדגמה שלהם כוונה במיוחד לחנקן דו חמצני, Gumyusenge אומר, "אנחנו בהחלט יכולים להתאים את הכימיה לכוון מולקולות נדיפות אחרות", כל עוד הם אנליטים קוטביים קטנים, "שנוטים להיות רוב הגזים הרעילים".
מלבד היותו תואם לגלאי ידני פשוט או למכשיר מסוג אזעקת עשן, יתרון אחד של החומר הוא שהפולימר מאפשר להפקיד אותו כסרט אחיד דק במיוחד, שלא כמו MOFs רגילים, שהם בדרך כלל במצב לא יעיל צורת אבקה. מכיוון שהסרטים כל כך דקים, יש צורך במעט חומר ועלויות חומרי ההפקה עשויות להיות נמוכות; שיטות העיבוד יכולות להיות אופייניות לאלו המשמשות לתהליכי ציפוי תעשייתיים. "אז אולי הגורם המגביל יהיה הגדלת הסינתזה של הפולימרים, שסינתזנו בכמויות קטנות", אומר Gumyusenge.
"השלבים הבאים יהיו להעריך אותם במסגרות של החיים האמיתיים", הוא אומר. לדוגמה, החומר יכול להיות מיושם כציפוי על ארובות או צינורות פליטה כדי לנטר גזים באופן רציף באמצעות קריאות ממכשיר ניטור התנגדות מחובר. בהגדרות כאלה, הוא אומר, "אנחנו צריכים בדיקות כדי לבדוק אם אנחנו באמת מבדילים אותו ממזהמים פוטנציאליים אחרים שאולי התעלמנו מהם במסגרת המעבדה. בואו נוציא את החיישנים בתרחישים מהעולם האמיתי ונראה איך הם מסתדרים."
העבודה נתמכה על ידי MIT Climate and Sustainability Consortium (MCSC), מעבדת מערכות המים והמזון של עבדול לטיף ג'מייל (J-WAFS) ב-MIT ומשרד האנרגיה האמריקאי.
