Des scientifiques de la Northwestern University à Evanston, L'Illinois a développé un hydrogel intégré à des structures métallo-organiques (MOF) robustes à base de zirconium qui dégrade rapidement les agents neurotoxiques à base d'organophosphates utilisés dans la guerre chimique. Contrairement aux adsorbants MOF en poudre existants, ce composite hydrogel ne nécessite pas d'ajout d'eau et peut être facilement agrandi pour être utilisé dans des masques ou des vêtements de protection. L'ouvrage paraît le 14 juillet dans la revue Catalyse chimique .

"Les agents neurotoxiques à base d'organophosphates sont parmi les produits chimiques les plus toxiques connus de l'humanité, " dit l'auteur principal Omar Farha, professeur de chimie à la Northwestern University. « Leur utilisation dans les récents conflits mondiaux reflète le besoin urgent d'équipements de protection individuelle, ainsi que la destruction massive de stocks d'armes chimiques. Dans ce travail, nous intégrons des MOF et de l'hydrogel réticulé contenant des amines dans le tissu pour créer un microenvironnement approprié pour faciliter la dégradation rapide des agents neurotoxiques et fournir une protection en temps réel. »

Alors que les MOF ont déjà démontré une capacité exceptionnellement rapide à décomposer les agents organophosphorés et les produits chimiques qui les simulent en laboratoire, ces adsorbants en poudre se sont avérés difficiles à intégrer directement dans des toiles de protection. Lorsque les agents neurotoxiques se lient à leurs amas de zirconium-6, ils désactivent souvent les catalyseurs composites poudre et fibreux. Cet écueil appelle à l'utilisation de solutions alcalines pour régénérer les sites catalytiques des MOF - une exigence qui n'empêche pas ces MOF d'être utilisés pour éliminer les armes chimiques stockées mais qui empêche leur utilisation dans les équipements de protection portables.

Pour surmonter ce défi, Farha et ses collègues ont conçu un système composite textile à base de MOF qui utilise de l'eau dans un hydrogel à base d'amine pour décomposer les agents neurotoxiques. Le matériau fonctionne en réunissant trois composants clés pour les réactions d'hydrolyse qui démantèlent les agents organophosphorés toxiques. Le nœud de zirconium du MOF fournit un site acide de Lewis qui active le centre du phosphore (la partie active de l'agent neurotoxique), tandis que les pores d'hydrogel retiennent l'eau nécessaire. Les groupes amine basique dans le squelette de l'hydrogel génèrent des groupes hydroxyle pour faciliter l'attaque nucléophile sur le substrat organophosphoré et le déplacement ultérieur du produit d'hydrolyse sur le centre du zirconium (c'est-à-dire, renouvellement catalytique).

Les chercheurs ont intégré ce composite d'hydrogel avec des fibres de coton et l'ont testé en appliquant une petite aliquote d'un simulant ou d'un agent neurotoxique réel (testé en collaboration avec le US Army Lab) sur sa surface. Prochain, ils ont analysé le produit et le substrat en utilisant la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire. Ils ont découvert que le composite convertissait chimiquement 99 % de l'agent en seulement 10 minutes, maintenir ce niveau élevé d'activité catalytique même après avoir été stocké dans un flacon scellé pendant 3 mois.

« Le matériau composite développé ici représente une amélioration significative par rapport à ce que nous avons développé précédemment, " dit Farha. " Il est également important de noter que les réactivités rapportées ici avec le composite à l'état solide sont comparables à celles obtenues dans des solutions aqueuses alcalines. "

Étant donné que les auteurs envisagent l'utilisation du nouveau composite d'hydrogel comme couche réactive dans les combinaisons et les masques, ils notent qu'une ingénierie et des tests supplémentaires seront nécessaires pour l'intégrer dans ces produits existants. Cependant, puisque la méthode utilisée pour produire le composite est simple et facilement évolutive, Farha suggère que la production à grande échelle de masques et de combinaisons à base de MOF pourrait être possible à l'avenir.

"Nous sommes en train d'optimiser le matériau composite pour qu'il soit adapté aux conditions réelles, " dit Farha. "Nous espérons qu'à l'avenir ces matériaux seront commercialisés et utilisés pour protéger la vie humaine."