„Intelligente“ Beschichtung könnte Stoffe in Schutzausrüstung verwandeln

Jun 10, 2023

Präzise eingesetzte metallorganische Technologie erkennt und fängt giftige Gase in der Luft ein.

Eine von Dartmouth-Forschern entwickelte dauerhafte Beschichtung auf Kupferbasis kann laut einer aktuellen Studie präzise in Stoff integriert werden, um reaktionsfähige und wiederverwendbare Materialien wie Schutzausrüstung, Umweltsensoren und intelligente Filter zu schaffen.

Die Beschichtung reagiert auf das Vorhandensein giftiger Gase in der Luft, indem sie diese in weniger giftige Substanzen umwandelt, die im Stoff eingeschlossen werden, berichtet das Team im Journal of the American Chemical Society.

Die Ergebnisse basieren auf einer leitfähigen metallorganischen Technologie oder einem Gerüst, das im Labor der korrespondierenden Autorin Katherine Mirica, einer außerordentlichen Professorin für Chemie, entwickelt wurde. Das erstmals 2017 in JACS beschriebene Framework war eine einfache Beschichtung, die auf Baumwolle und Polyester geschichtet werden konnte, um intelligente Stoffe herzustellen. Die Forscher nannten es SOFT – Self-Organized Framework on Textiles. Ihre Arbeit zeigte, dass intelligente SOFT-Stoffe giftige Substanzen in der Umgebung erkennen und einfangen können.

Wir haben vier Jahre gebraucht, um herauszufinden, was passierte und welchen Nutzen es hatte. Es ist ein sehr unkomplizierter Prozess, aber die Chemie dahinter ist es nicht.

Für die neueste Studie stellten die Forscher fest, dass sie – anstelle der einfachen Beschichtung, über die im Jahr 2017 berichtet wurde – das Gerüst mithilfe eines Kupfervorläufers präzise in Stoffe einbetten können, was es ihnen ermöglicht, spezifische Muster zu erstellen und die winzigen Lücken und Löcher zwischen den Fäden effektiver zu füllen . Die Forscher fanden heraus, dass die Gerüsttechnologie das Gift Stickstoffmonoxid effektiv in Nitrit und Nitrat umwandelte und das giftige, brennbare Gas Schwefelwasserstoff in Kupfersulfid umwandelte. Sie berichten außerdem, dass die Fähigkeit des Gerüsts, giftige Materialien einzufangen und umzuwandeln, Abnutzung und normalem Waschen standhielt.

Die Vielseitigkeit und Haltbarkeit, die die neue Methode bietet, würden es ermöglichen, das Gerüst für spezifische Zwecke und an präziseren Orten einzusetzen, beispielsweise als Sensor an Schutzkleidung oder als Filter in einer bestimmten Umgebung, sagte Mirica.

„Diese neue Methode der Abscheidung bedeutet, dass die elektronischen Textilien aufgrund ihrer Robustheit möglicherweise mit einer breiteren Palette von Systemen verbunden werden könnten“, sagte sie. „Dieser technologische Fortschritt ebnet den Weg für andere Anwendungen der kombinierten Filter- und Sensorfähigkeiten des Frameworks, die in biomedizinischen Umgebungen und bei der Umweltsanierung wertvoll sein könnten.“

Die Technik könnte letztendlich auch eine kostengünstige Alternative zu Technologien sein, deren Kosten unerschwinglich sind und deren Einsatzmöglichkeiten begrenzt sind, da sie eine Energiequelle oder – wie Katalysatoren in Autos – seltene Metalle benötigen, sagte Mirica.

„Hier verlassen wir uns auf ein auf der Erde vorkommendes Material, um giftige Chemikalien zu entgiften, und wir tun dies ohne Zufuhr externer Energie, sodass wir weder hohe Temperaturen noch elektrischen Strom benötigen, um diese Funktion zu erreichen“, sagte Mirica.

Co-Erstautor Michael Ko, Guarini '20, beobachtete den neuen Prozess erstmals im Jahr 2018, als er versuchte, das metallorganische Gerüst auf Dünnschichtelektroden auf Kupferbasis abzuscheiden, sagte Mirica. Aber die Kupferelektroden würden durch das Gerüst ersetzt.

„Er wollte es auf den Elektroden haben und nicht, um sie zu ersetzen“, sagte Mirica. „Wir haben vier Jahre gebraucht, um herauszufinden, was passierte und welchen Nutzen es hatte. Es ist ein sehr unkomplizierter Prozess, aber die Chemie dahinter ist es nicht, und wir haben einige Zeit und die zusätzliche Beteiligung von Studenten und Mitarbeitern gebraucht, um das zu verstehen.“

Das Team entdeckte, dass das metallorganische Gerüst über Kupfer „wächst“ und es durch ein Material mit der Fähigkeit ersetzt, giftige Gase zu filtern und umzuwandeln, sagte Mirica. Ko und Co-Autor Lukasz Mendecki, von 2017 bis 2018 Postdoktorand in der Mirica-Gruppe, untersuchten Methoden zum Aufbringen des Gerüstmaterials auf Stoff in bestimmten Designs und Mustern.

Co-Erstautorin Aileen Eagleton, Guarini '23, die ebenfalls zur Mirica Group gehört, vollendete die Technik, indem sie den Prozess zum Aufdrucken des metallorganischen Gerüsts auf Stoff optimierte und herausfand, wie dessen Struktur und Eigenschaften durch chemische Einwirkung beeinflusst werden und Reaktionsbedingungen.

Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Entwicklung neuer multifunktionaler Gerüstmaterialien und die Ausweitung des Prozesses der Einbettung der metallorganischen Beschichtungen in Gewebe konzentrieren, sagte Mirica.

Morgan Kelly kann unter [email protected] erreicht werden.

Ich denke, die Pandemie hat viele der Annahmen zunichte gemacht, dass Obdachlosigkeit und Wohnungsunsicherheit solche hartnäckigen, unvermeidlichen Probleme seien.