Le nouveau système combine deux technologies existantes, les réunissant de manière à préserver les avantages de chacune tout en évitant leurs limites. L'équipe a utilisé un matériau appelé structure organométallique, ou MOF, très sensible aux minuscules traces de gaz mais dont les performances se dégradent rapidement, et l'a combiné avec un matériau polymère très durable et plus facile à traiter, mais beaucoup moins sensible. .

Les résultats sont rapportés dans la revue Advanced Materials , dans un article rédigé par les professeurs Aristide Gumyusenge, Mircea Dinca, Heather Kulik et Jesus del Alamo du MIT, l'étudiant diplômé Heejung Roh et les postdoctorants Dong-Ha Kim, Yeongsu Cho et Young-Moo Jo.

Très poreux et dotés de grandes surfaces, les MOF se présentent sous diverses compositions. Certains peuvent être des isolants, mais ceux utilisés pour ce travail sont hautement conducteurs d’électricité. Grâce à leur forme spongieuse, ils sont efficaces pour capturer les molécules de divers gaz, et la taille de leurs pores peut être adaptée pour les rendre sélectifs pour des types particuliers de gaz.

"Si vous les utilisez comme capteur, vous pouvez reconnaître si le gaz est présent s'il a un effet sur la résistivité du MOF", explique Gumyusenge, auteur principal de l'article et professeur adjoint de développement de carrière Merton C. Flemings en matériaux. Science et ingénierie.

L'inconvénient de l'utilisation de ces matériaux comme détecteurs de gaz est qu'ils se saturent facilement et ne peuvent alors plus détecter et quantifier de nouveaux apports. "Ce n'est pas ce que vous voulez. Vous voulez être capable de détecter et de réutiliser", explique Gumyusenge. "Nous avons donc décidé d'utiliser un composite polymère pour obtenir cette réversibilité."

L’équipe a utilisé une classe de polymères conducteurs dont Gumyusenge et ses collègues avaient déjà démontré qu’ils pouvaient réagir aux gaz sans s’y lier de manière permanente. "Le polymère, même s'il n'a pas la surface spécifique élevée des MOF, fournira au moins ce type de phénomène de reconnaissance et de libération", dit-il.

L’équipe a combiné les polymères dans une solution liquide avec le matériau MOF sous forme de poudre et a déposé le mélange sur un substrat, où ils sèchent pour former une fine couche uniforme. En combinant le polymère, avec sa capacité de détection rapide, et les MOF plus sensibles, dans un rapport de un pour un, dit-il, « tout d'un coup, nous obtenons un capteur qui possède à la fois la haute sensibilité que nous obtenons du MOF et la réversibilité que procure le MOF. est activé par la présence du polymère."

Le matériau modifie sa résistance électrique lorsque des molécules de gaz sont temporairement piégées dans le matériau. Ces changements de résistance peuvent être surveillés en permanence en connectant simplement un ohmmètre pour suivre la résistance au fil du temps. Gumyusenge et ses étudiants ont démontré la capacité du matériau composite à détecter le dioxyde d'azote, un gaz toxique produit par de nombreux types de combustion, dans un petit appareil à l'échelle d'un laboratoire. Après 100 cycles de détection, le matériau maintenait toujours ses performances de base dans une marge d'environ 5 à 10 %, démontrant son potentiel d'utilisation à long terme.

De plus, ce matériau a une sensibilité bien plus grande que la plupart des détecteurs de dioxyde d’azote actuellement utilisés, rapporte l’équipe. Ce gaz est souvent détecté après l'utilisation de fours à cuisinière. Et comme ce gaz a récemment été associé à de nombreux cas d’asthme aux États-Unis, une détection fiable à faibles concentrations est importante. L'équipe a démontré que ce nouveau composite pouvait détecter, de manière réversible, le gaz à des concentrations aussi faibles que 2 parties par million.

Bien que leur démonstration visait spécifiquement le dioxyde d'azote, Gumyusenge affirme que "nous pouvons certainement adapter la chimie pour cibler d'autres molécules volatiles", à condition qu'il s'agisse de petits analytes polaires, "qui ont tendance à constituer la plupart des gaz toxiques". P>

En plus d'être compatible avec un simple détecteur portatif ou un dispositif de type avertisseur de fumée, l'un des avantages du matériau est que le polymère permet de le déposer sous la forme d'un film uniforme extrêmement fin, contrairement aux MOF classiques, qui sont généralement de forme inefficace. sous forme de poudre.

Étant donné que les films sont si minces, peu de matériaux sont nécessaires et les coûts de matériaux de production pourraient être faibles ; les méthodes de traitement pourraient être typiques de celles utilisées pour les procédés de revêtement industriels. "Donc, peut-être que le facteur limitant sera l'intensification de la synthèse des polymères, que nous avons synthétisés en petites quantités", explique Gumyusenge.

"Les prochaines étapes consisteront à les évaluer dans des contextes réels", dit-il. Par exemple, le matériau pourrait être appliqué comme revêtement sur des cheminées ou des tuyaux d'échappement pour surveiller en permanence les gaz grâce aux lectures d'un dispositif de surveillance de la résistance connecté. Dans de tels contextes, dit-il, "Nous avons besoin de tests pour vérifier si nous le différencions réellement des autres contaminants potentiels que nous aurions pu négliger en laboratoire. Installons les capteurs dans des scénarios réels et voyons comment ils fonctionnent."