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聚合物与粉末形式金属有机框架结合连续地检测浓度低至百万分之二有毒气体
|麻省理工学院新闻处工作人员大卫·钱德勒（David L. Chandler）于2024年5月17日说，
该学院研究人员希瑟·库利克老师等人（Heather Kulik）开发了一种连续监测有毒气体的探测器
探测器使用的一种材料可以制成一层薄膜，用来分析工业或家庭环境中的空气质量。
薄膜由黑色和灰色球构成，蜂窝状分子晶格。聚合物蜿蜒在它周围，表现为一串半透明的蓝绿色球。代表有毒气体的棕色分子也四处漂浮。
为了制造探测器，该团队使用了一种叫做金属有机框架(metal-organic framework，简称MOF)的材料(如图中的黑色晶格)，这种材料对微量气体高度敏感，但其性能会迅速下降。
他们将金属有机框架与一种聚合物材料结合在一起，显示为青色半透明线，这种材料非常耐用，但灵敏度低得多。
这个小型传感装置包括，一台笔记本电脑，一个方形的“传感器室”，然后是连接空气和一氧化二氮和硫化氢等气体的管道和蓝色阀门。
研究人员在一个小型实验室设备中，展示了该材料检测氧化亚氮的能力，氧化亚氮是多种燃烧产生的有毒气体。经过100次循环检测后，该材料仍能在约5%至10%的范围内保持其基线性能，显示了其长期使用的潜力。
大多数用于检测工业或家庭环境中有毒气体的系统，只能使用一次，或者最多使用几次。该新型探测器，可以以低成本连续监测这些气体的存在。
新系统结合了两种现有技术，将它们结合在一起，既保留了各自的优势，又避免了各自的局限性。
研究小组使用了一种称为金属有机框架的材料，这种材料对微量气体高度敏感，但其性能会迅速下降，并将其与一种高度耐用且更容易加工的聚合物材料相结合，但灵敏度低得多。
高度多孔且具有大表面积的金属有机框架有多种组成。有些可以是绝缘体，但用于这项工作的绝缘体是高度导电的。
由于其海绵状的形状，金属有机框架可以有效地捕获各种气体的分子，并且可以定制其孔径，使其对特定种类的气体具有选择性。
“如果你将它们用作传感器，如果它对金属有机框架的电阻率有影响，你就可以识别出气体是否存在，”。
这些材料用作气体检测器的缺点是它们容易饱和，然后不能再检测和量化新的输入。希望能够检测和重复利用。"因此，我们决定使用聚合物复合材料来实现这种可逆性."
该小组使用了一种导电聚合物，这种聚合物可以对气体做出反应，而不会永久性地与气体结合。“这种聚合物，尽管它没有金属有机框架那样高的表面积，但至少能提供这种识别-释放类型的现象，”。
研究小组将液体溶液中的聚合物，与粉末形式的金属有机框架材料结合在一起，并将混合物沉积在基底上，在那里它们干燥成均匀的薄涂层。通过将具有快速检测能力的聚合物与更敏感的金属有机框架以一比一的比例结合起来，突然间我们得到了一种既具有金属有机框架的高灵敏度又具有聚合物的可逆性的传感器。
当气体分子暂时被困在材料中时，材料会改变其电阻。只需附加一个欧姆表来跟踪电阻随时间的变化，就可以连续监测这些电阻变化。这种复合材料检测二氧化氮的能力。二氧化氮是多种燃烧产生的有毒气体。经过100次循环检测后，该材料仍在约5%至10%的范围内保持其基准性能，证明了其长期使用的潜力。
这种材料的灵敏度远远高于目前使用的大多数二氧化氮探测器。这种气体经常在使用炉子后被检测到。此外，由于这种气体最近与美国的许多哮喘病例有关，可靠的低浓度检测非常重要。这种新的复合材料可以可逆地检测浓度低至百万分之二的气体。
我们可以调整化学物质以针对其他挥发性分子，只要它们是小极性分析物，它们往往是大多数有毒气体。
除了与简单的手持式探测器或烟雾报警类型的设备兼容之外，该材料的一个优点是，聚合物允许其沉积为非常薄的均匀薄膜，而不像常规的金属有机框架那样，通常是低效的粉末形式。
由于薄膜非常薄，所需材料很少，生产材料成本可能很低；加工方法可以是典型的用于工业涂覆工艺的方法。
接下来的步骤，将是在现实生活中评估。例如，这种材料可以作为烟囱或排气管的涂层，通过连接的电阻监测设备的读数连续监测气体。在这种情况下，我们需要测试，来检查我们是否真正将其与实验室环境中可能忽略的其他潜在污染物区分开。
这项工作得到了能源部的支持。
该种新材料及新设备的研发地点可能是，
Abdul Latif Jameel
Water & Food Systems Lab
Massachusetts Institute of Technology
77 Massachusetts Avenue, E38-325
Cambridge, MA 02139
联系方式可能是，
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