A pesar de los grandes esfuerzos para superar las limitaciones actuales en la detección de dióxido de nitrógeno, las técnicas comerciales siguen siendo costosas y difíciles de implementar
El dióxido de nitrógeno (NO2) es un contaminante atmosférico emitido por centrales eléctricas, instalaciones industriales y vehículos a motor que, en concentraciones altas, tiene efectos negativos para nuestra salud. Detectar este NO2 tóxico de manera portátil y en tiempo real sigue siendo un verdadero desafío cuando se trata de asegurar la calidad del aire, tanto en interiores como en el exterior. La forma estándar de medir el NO2 en las estaciones de medición implica un proceso de dos etapas que es costoso y se ve afectado por interferencias para bajas concentraciones de gas. Para lograr este objetivo a bajo costo, se requieren materiales de detección simples y reversibles, para una mayor miniaturización e integración en pantallas portátiles.
Las estructuras metal-orgánicas (MOFs, por sus siglas en inglés) son materiales porosos que pueden superar las limitaciones de las actuales tecnologías de detección. Los cambios en las propiedades de las redes MOF, ya sean ópticas, electrónicas o magnéticas, tras la inclusión de sustancias químicas ya se explotan para detectar bajas concentraciones de analitos y constituyen un prometedor procedimiento para lograr sensores avanzados.
Investigadores del IMDEA Nanociencia, el CNRS de Grenoble y la Universidad de Valencia (ICMOL) han estudiado los cambios en las propiedades ópticas de las estructuras MOF de lantánidos (Ln-MOFs) en presencia de gas NO2. Se encontró un aumento, o una disminución, de la intensidad de la luminiscencia en función del ión de lantánido contenido en la estructura de la MOF (Eu o Tb, respectivamente).
En su trabajo, se realizaron mediciones espectroscópicas junto con cálculos DFT para lograr una comprensión íntegra del mecanismo de interacción entre la estructura Ln-MOF y el NO2. La modulación de la intensidad de la luz emitida se atribuye a la tasa de transferencia de energía de los ligandos orgánicos al lantánido en el interior de la red MOF, que depende en gran medida de la presencia de la molécula de NO2.
La adsorción de NO2 por la red MOF de lantánido modula su luminiscencia. Imagen © American Chemical Society.
Los cambios en la propiedad óptica son reversibles y detectables en concentraciones de NO2 tan bajas como 500 ppb. A pesar de la débil interacción MOF- NO2, la modulación de la luminiscencia es suficiente para detectar directamente bajas concentraciones del gas nocivo NO2 con una sensibilidad exquisita a temperatura ambiente. Este esquema de detección sin precedentes podría ser explotado en las pantallas de luminiscencia convencionales, sin requerir una costosa electrónica.
José Sánchez-Costa está entusiasmado con los resultados: "Para mí es una combinación de diferentes logros, el más notable es el hecho de detectar reversiblemente el NO2 en ppm con una variación del 15% de la luminiscencia y entender el porqué (debido a la interacción supramolecular entre la molécula y el receptor de tipo amino en la MOF) es algo muy interesante. También es muy notable el hecho de que, para desorber el NO2, se necesita muy poca energía (únicamente el flujo de aire, en lugar de tener que calentar la muestra)".
La explotación de las interacciones supramoleculares entre NO2 y los grupos amino abre el camino hacia nuevos materiales con propiedades mejoradas. "La sensibilidad al NO2 puede ser aún más amplificada al aumentar el número de grupos amino disponibles en la estructura interna de la red MOF" destaca Juan Cabanillas.
Hoy en día, a pesar de los grandes esfuerzos para superar las limitaciones actuales en la detección de NO2, las técnicas comerciales siguen siendo costosas y difíciles de implementar en el terreno. "Lo que proponemos en este trabajo es una alternativa a los métodos convencionales para ir más allá del estado del arte, y ser una solución en la implementación de sensores portátiles" dice Costa. El carácter multidisciplinar del trabajo fue clave en esta exitosa investigación.
Este trabajo de colaboración, publicado en la revista Journal of Physical Chemistry Letters, ha sido liderado por los investigadores de IMDEA Nanociencia Reinhold Wannemacher, Juan Cabanillas-González y José Sanchez Costa, y está parcialmente financiado por el Programa de Centros de Excelencia en I+D "Severo Ochoa".
Referencia bibliográfica:
A. Gamonal et al. Divergent Adsorption-Dependent Luminescence of Amino-Functionalized Lanthanide Metal–Organic Frameworks for Highly Sensitive NO2 Sensors. J. Phys. Chem. Lett. 2020. DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c00457
