Los investigadores desarrollan un detector para controlar continuamente los gases tóxicos

El nuevo sistema combina dos tecnologías ya existentes, uniéndolas de forma que se conservan las ventajas de cada una y se evitan sus limitaciones. El equipo utilizó un material llamado marco metalorgánico, o MOF, que es muy sensible a pequeñas trazas de gas pero cuyo rendimiento se degrada rápidamente, y lo combinó con un material polimérico que es muy duradero y más fácil de procesar, pero mucho menos sensible.

Los resultados se publican en la revista Advanced Materials, en un artículo de los profesores del MIT Aristide Gumyusenge, Mircea Dinca, Heather Kulik y Jesús del Álamo, la estudiante de posgrado Heejung Roh y los posdoctorados Dong-Ha Kim, Yeongsu Cho y Young-Moo Jo.

Altamente porosos y con grandes superficies, los MOF presentan una gran variedad de composiciones. Algunos pueden ser aislantes, pero los utilizados en este trabajo son altamente conductores de la electricidad. Con su forma de esponja, son eficaces para capturar moléculas de diversos gases, y el tamaño de sus poros puede adaptarse para que sean selectivos con determinados tipos de gases. "Si se utilizan como sensores, se puede reconocer la presencia de gas si afecta a la resistividad del MOF", explica Gumyusenge, autor principal del artículo y Profesor Adjunto de Desarrollo Profesional Merton C. Flemings de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

El inconveniente del uso de estos materiales como detectores de gases es que se saturan con facilidad y ya no pueden detectar ni cuantificar nuevas entradas. "Eso no es lo que queremos. Lo que se quiere es poder detectar y reutilizar", explica Gumyusenge. "Así que decidimos utilizar un compuesto polimérico para lograr esta reversibilidad".

El equipo utilizó una clase de polímeros conductores que Gumyusenge y sus colaboradores habían demostrado anteriormente que pueden responder a los gases sin unirse permanentemente a ellos. "El polímero, aunque no tiene la gran superficie que tienen los MOF, al menos proporciona este tipo de fenómeno de reconocimiento y liberación", afirma.

El equipo combinó los polímeros en una solución líquida junto con el material MOF en polvo y depositó la mezcla sobre un sustrato, donde se secaron formando una fina capa uniforme. Al combinar el polímero, con su capacidad de detección rápida, y los MOF, más sensibles, en una proporción de uno a uno, dice, "de repente obtenemos un sensor que tiene tanto la alta sensibilidad que obtenemos del MOF como la reversibilidad que permite la presencia del polímero."

El material cambia su resistencia eléctrica cuando las moléculas del gas quedan atrapadas temporalmente en él. Estos cambios de resistencia pueden controlarse de forma continua simplemente conectando un óhmetro para realizar un seguimiento de la resistencia a lo largo del tiempo. Gumyusenge y sus estudiantes demostraron la capacidad del material compuesto para detectar dióxido de nitrógeno, un gas tóxico producido por muchos tipos de combustión, en un pequeño dispositivo a escala de laboratorio. Tras 100 ciclos de detección, el material seguía manteniendo su rendimiento básico con un margen de entre el 5 y el 10 por ciento, lo que demuestra su potencial de uso a largo plazo.

Además, este material tiene una sensibilidad mucho mayor que la mayoría de los detectores de dióxido de nitrógeno utilizados actualmente, informa el equipo. Este gas suele detectarse tras el uso de estufas. Y, dado que este gas se ha relacionado recientemente con muchos casos de asma en EE.UU., es importante una detección fiable en bajas concentraciones. El equipo demostró que este nuevo compuesto podía detectar, de forma reversible, el gas en concentraciones tan bajas como 2 partes por millón.

Aunque su demostración iba dirigida específicamente al dióxido de nitrógeno, Gumyusenge afirma que "sin duda podemos adaptar la química para que se dirija a otras moléculas volátiles", siempre que se trate de pequeños analitos polares, "que suelen ser la mayoría de los gases tóxicos".

Además de ser compatible con un detector manual sencillo o un dispositivo tipo alarma de humo, una ventaja del material es que el polímero permite depositarlo como una película uniforme extremadamente fina, a diferencia de los MOF normales, que suelen presentarse en forma de polvo poco eficiente. Como las películas son tan finas, se necesita poco material y los costes del material de producción podrían ser bajos; los métodos de procesamiento podrían ser los típicos de los procesos de recubrimiento industrial. "Así pues, quizá el factor limitante sea ampliar la síntesis de los polímeros, que hemos estado sintetizando en pequeñas cantidades", afirma Gumyusenge.

"Los próximos pasos serán evaluarlos en entornos reales", añade. Por ejemplo, el material podría aplicarse como revestimiento en chimeneas o tubos de escape para controlar continuamente los gases mediante lecturas de un dispositivo de control de resistencia conectado. En este tipo de entornos, afirma, "necesitamos pruebas para comprobar si realmente lo diferenciamos de otros posibles contaminantes que podríamos haber pasado por alto en el laboratorio. Pongamos los sensores en escenarios reales y veamos qué tal lo hacen".