Foring af MOF-lommer til at detektere skadelige gasser

Et porøst materiale med skræddersyede lommer syet ind i dets struktur er et lovende materiale til at føle skadelige gasser. En tynd film af materialet, belagt på en elektrode, dannet en elektronisk sensor, der kunne registrere spor af svovldioxidgas. Sensoren er et væsentligt skridt i retning af enheder fra den virkelige verden, der kan opsnuse farlige gasser i ægte luft.

Selvom flere laboratoriebaserede analyseinstrumenter kan detektere spor af en bestemt gas i luften, disse instrumenter er typisk store, dyrt, strømkrævende maskiner. Der er stadig brug for små, billig, energieffektive sensorer, for eksempel, kunne udbredes bredt omkring industrianlæg for løbende at overvåge luftkvaliteten.

En lovende måde at fremstille sådanne sensorer på involverer porøse materialer kaldet metal-organiske rammer (MOF'er). Ved at lave MOF fra forskellige metalatomer og organiske linkere, forskere kan skabe materialer, der selektivt absorberer specifikke gasser i skræddersyede lommer i strukturen. To KAUST forskningsgrupper, ledet af materialeforsker, Mohamed Eddaoudi, og elektronikingeniør, Khaled Salama, for nylig gået sammen om at udvikle MOF-baserede gassensorer.

Det første trin blev afsluttet i 2015, da holdet lavede en proof-of-concept-sensor ved at belægge et MOF-lag på en elektrode. Enheden registrerer gasser på samme måde, som en berøringsskærm registrerer en finger. Gassen ændrer MOF-sensorens kapacitans, en elektronisk egenskab, der kan måles direkte ved hjælp af elektroden.

Nu, teamet arbejder hen imod specifikke applikationer. "Vores nuværende arbejde sigter mod at identificere den ideelle MOF, med hensyn til følsomhed og selektivitet, til påvisning af svovldioxid, " siger Valeriya Chernikova, en ph.d. studerende fra Eddaoudis laboratorium.

Forskerne valgte en indium-baseret version af en MOF kaldet MFM-300 som deres sensormateriale. En tynd film af materialet kan vokse på elektroden under milde forhold, der ikke beskadiger sensorkredsløbet. Det resulterende materiale danner lommer foret med to -OH-grupper og fire CH-grupper, der selektivt binder svovldioxid-molekyler. I laboratorietest med simple blandinger af gasser, sensoren kunne detektere svovldioxid i koncentrationer på blot nogle få ppm.

For at bruge teknologien til ægte luft - som omfatter en meget mere kompleks blanding af gasser - er næste trin at udvikle sensorarrays, der samler svarene fra flere MOF-materialer, siger Chernikova. "Dataene vil blive behandlet ved hjælp af forskellige statistiske og maskinlæringsalgoritmer for at forbedre nøjagtigheden af ​​sensorens respons, " fortsætter hun. "Dette kaldes almindeligvis en 'kunstig næse'."