Des chercheurs mettent au point un détecteur pour la surveillance continue des gaz toxiques
Le matériau pourrait être fabriqué sous la forme d'une fine couche permettant d'analyser la qualité de l'air dans des environnements industriels ou domestiques au fil du temps
La plupart des systèmes utilisés pour détecter les gaz toxiques dans les environnements industriels ou domestiques ne peuvent être utilisés qu'une seule fois, ou au mieux quelques fois. Aujourd'hui, des chercheurs du MIT ont mis au point un détecteur qui pourrait assurer une surveillance continue de la présence de ces gaz, à faible coût.
Des chercheurs du MIT ont mis au point un détecteur qui pourrait assurer une surveillance continue de la présence de gaz toxiques, à faible coût. L'équipe a utilisé un matériau appelé cadre métallo-organique, ou MOF (représenté par le réseau noir), qui est très sensible à de minuscules traces de gaz, mais dont les performances se dégradent rapidement.
Aristide Gumyusenge et al
Le nouveau système combine deux technologies existantes, les associant de manière à préserver les avantages de chacune d'entre elles tout en évitant leurs limites. L'équipe a utilisé un matériau appelé cadre métallo-organique (MOF), qui est très sensible à de minuscules traces de gaz mais dont les performances se dégradent rapidement, et l'a associé à un matériau polymère très durable et plus facile à traiter, mais beaucoup moins sensible.
Les résultats sont publiés dans la revue Advanced Materials, dans un article rédigé par les professeurs du MIT Aristide Gumyusenge, Mircea Dinca, Heather Kulik et Jesus del Alamo, l'étudiante diplômée Heejung Roh et les postdocs Dong-Ha Kim, Yeongsu Cho et Young-Moo Jo.
Très poreux et dotés d'une grande surface, les MOF présentent une grande variété de compositions. Certains peuvent être isolants, mais ceux utilisés dans le cadre de ce travail sont hautement conducteurs d'électricité. Leur forme d'éponge leur permet de capturer efficacement les molécules de différents gaz, et la taille de leurs pores peut être adaptée pour les rendre sélectifs pour certains types de gaz. "Si vous les utilisez comme capteur, vous pouvez reconnaître la présence d'un gaz s'il a un effet sur la résistivité du MOF", explique M. Gumyusenge, auteur principal de l'article et professeur assistant de développement de carrière Merton C. Flemings en science et ingénierie des matériaux.
L'inconvénient de l'utilisation de ces matériaux comme détecteurs de gaz est qu'ils sont rapidement saturés et qu'ils ne peuvent plus détecter et quantifier les nouveaux apports. "Ce n'est pas ce que l'on veut. Vous voulez pouvoir détecter et réutiliser", explique M. 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 montré qu'ils pouvaient réagir aux gaz sans s'y lier de manière permanente. "Le polymère, même s'il n'a pas la même surface que les MOF, permet au moins ce type de phénomène de reconnaissance et de libération", explique-t-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, explique-t-il, "nous obtenons soudain un capteur qui possède à la fois la sensibilité élevée que nous obtenons du MOF et la réversibilité qui est permise 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 contrôlés en continu en fixant simplement un ohmmètre pour suivre l'évolution de la résistance dans le temps. M. 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 dispositif à l'échelle du laboratoire. Après 100 cycles de détection, le matériau conservait ses performances de base avec une marge d'environ 5 à 10 %, ce qui démontre son potentiel d'utilisation à long terme.
En outre, ce matériau est beaucoup plus sensible que la plupart des détecteurs de dioxyde d'azote actuellement utilisés, indique l'équipe. Ce gaz est souvent détecté après l'utilisation d'un four. Et comme ce gaz a récemment été associé à de nombreux cas d'asthme aux États-Unis, il est important de pouvoir le détecter de manière fiable à de faibles concentrations. 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 ait été spécifiquement axée sur le dioxyde d'azote, M. Gumyusenge précise que "nous pouvons certainement adapter la chimie pour cibler d'autres molécules volatiles", à condition qu'il s'agisse de petits analytes polaires, "ce qui tend à être le cas de la plupart des gaz toxiques".
En plus d'être compatible avec un simple détecteur manuel ou un dispositif de type détecteur 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 ordinaires, qui se présentent généralement sous la forme d'une poudre inefficace. Les films étant très fins, il faut peu de matériau et les coûts de production des matériaux pourraient être faibles ; les méthodes de traitement pourraient être typiques de celles utilisées pour les processus de revêtement industriels. Les méthodes de traitement pourraient être typiques de celles utilisées pour les processus de revêtement industriels. "Ainsi, le facteur limitant sera peut-être l'augmentation de la synthèse des polymères, que nous avons synthétisés en petites quantités", explique M. Gumyusenge.
"Les prochaines étapes consisteront à évaluer ces produits dans des conditions réelles", ajoute-t-il. Par exemple, le matériau pourrait être appliqué comme revêtement sur les cheminées ou les tuyaux d'échappement pour surveiller en permanence les gaz grâce aux relevés d'un dispositif de surveillance de la résistance qui y est attaché. Dans ces conditions, explique-t-il, "nous avons besoin de tests pour vérifier si nous le différencions vraiment d'autres contaminants potentiels que nous aurions pu négliger en laboratoire. Mettons les capteurs en situation réelle et voyons ce qu'il en est".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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