研究者は有毒ガスを継続的に監視する検出器を開発 | マサチューセッツ工科大学ニュース

産業環境や家庭環境で有毒ガスを検出するために使用されるシステムのほとんどは、1 回しか使用できず、せいぜい数回しか使用できません。 今回、MIT の研究者は、低コストでこれらのガスの存在を継続的に監視できる検出器を開発しました。

新しいシステムは 2 つの既存のテクノロジーを組み合わせ、それぞれの利点を維持しながら制限を回避する方法でそれらを統合します。 研究チームは、金属有機フレームワーク（MOF）と呼ばれる材料を使用しました。この材料は、微量のガスに非常に敏感ですが、すぐに性能が低下します。また、それを、耐久性が高く加工が容易であるが、感度がはるかに低いポリマー材料と組み合わせました。 。

の 結果は今日報告されます 日記で 先端材料、MIT教授のAristide Gumyusenge氏、Mircea Dinca氏、Heather Kulik氏、Jesus del Alamo氏、大学院生のHeejung Roh氏、博士研究員のDong-Ha Kim氏、Yeonsu Cho氏、Young-Moo Jo氏らによる論文で発表された。

MOF は多孔質で表面積が大きいため、さまざまな組成があります。 絶縁体になるものもありますが、この作業に使用されるものは導電性が高くなります。 スポンジ状の形状により、さまざまなガスの分子を捕捉するのに効果的であり、特定の種類のガスを選択できるように細孔のサイズを調整できます。 「センサーとして使用している場合、MOF の抵抗率に影響を与えるガスが存在するかどうかを認識できます」と論文の主著者であり、マートン C. フレミングスのキャリア開発材料学助教授である Gumyusenge 氏は述べています。科学と工学。

これらの材料をガスの検出器として使用する場合の欠点は、すぐに飽和してしまい、新しい入力を検出および定量できなくなることです。 「それはあなたが望んでいることではありません。 検出して再利用できるようにしたいのです」と Gumyusenge 氏は言います。 「そこで、この可逆性を実現するためにポリマー複合材料を使用することにしました。」

研究チームは、Gumyusenge 氏と彼の同僚が開発したある種の導電性ポリマーを使用しました。 以前に示された ガスに永久的に結合することなく反応することができます。 「このポリマーは、MOF のように高い表面積を持たないとしても、少なくともこの認識と放出のタイプの現象を提供します」と彼は言います。

研究チームは、溶液中のポリマーと粉末状のMOF材料を組み合わせ、その混合物を基板上に堆積させ、そこで乾燥して均一な薄いコーティングを形成した。 迅速な検出能力を持つポリマーと、より感度の高い MOF を 1 対 1 の比率で組み合わせることで、「突然、MOF から得られる高感度と可逆性の両方を備えたセンサーが得られます」と彼は言います。ポリマーの存在によって可能になります。」

ガス分子が材料内に一時的に閉じ込められると、材料の電気抵抗が変化します。 これらの抵抗の変化は、抵抗計を取り付けるだけで継続的に監視でき、時間の経過とともに抵抗を追跡できます。 Gumyusenge 氏と彼の学生たちは、実験室規模の小型装置で、さまざまな種類の燃焼によって生成される有毒ガスである二酸化窒素を検出する複合材料の能力を実証しました。 100 サイクルの検出後も、この材料は依然としてベースライン性能を約 5 ～ 10% の範囲内で維持しており、長期使用の可能性を示しています。

さらに、この物質は現在使用されている二酸化窒素検出器のほとんどよりもはるかに高い感度を持っていると研究チームは報告している。 このガスは、次のようなものの使用後に検出されることがよくあります。 ストーブオーブン。 そして、このガスは最近米国で多くの喘息患者に関係しているため、低濃度での信頼性の高い検出が重要です。 研究チームは、この新しい複合材料が2ppmという低い濃度のガスを可逆的に検出できることを実証した。

彼らのデモンストレーションは特に二酸化窒素を対象としたものであったが、グミュセンゲ氏は、「有毒ガスのほとんどである傾向がある」小さな極性分析物である限り、「他の揮発性分子をターゲットにするように化学を調整することは間違いなく可能です」と述べています。

この材料の利点の 1 つは、単純な手持ち式検知器や煙警報器タイプの装置と互換性があることに加えて、一般に非効率な通常の MOF とは異なり、ポリマーにより非常に薄い均一な膜として堆積できることです。粉末状。 フィルムは非常に薄いため、必要な材料はほとんどなく、製造材料コストも低く抑えられます。 処理方法は、工業用コーティングプロセスに使用される典型的なものである可能性があります。 「したがって、おそらく制限要因は、私たちが少量合成してきたポリマーの合成をスケールアップすることになるでしょう」とグミュセンゲ氏は言う。

「次のステップは、これらを現実の環境で評価することです」と彼は言います。 たとえば、この材料を煙突や排気管のコーティングとして適用し、取り付けられた抵抗監視装置からの読み取り値を通じてガスを継続的に監視することができます。 そのような環境では、「実験室環境で見落とした可能性のある他の潜在的な汚染物質と本当に区別できるかどうかを確認するためのテストが必要です。 現実世界のシナリオにセンサーを設置して、どのように機能するかを見てみましょう。」

この研究は、MIT 気候と持続可能性コンソーシアム (MCSC)、MIT のアブドゥル・ラティフ・ジャミール水・食品システム研究所 (J-WAFS)、および米国エネルギー省によって支援されました。