Detectie van nitro-explosieven gerealiseerd door core-sheath pijlerarchitectuur

Ontwerp van de CSP-architectuur en de specifieke interactie. (a) Ontwerp van door zichtbaar licht geactiveerd CSP (TiO₂NH₂-MIL-125) chemisch resistief materiaal voor nitro-explosieve detectie bij kamertemperatuur. (b) Schematische voorstelling van de structuur van NH₂-MIL-125 en de specifieke interactie van zijn organische ligand met nitro-explosieven (gouden bal: de holte van NH₂-MIL-125). Credit: Nationale wetenschappelijke recensie (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac143

Het is een uitdaging om een ​​kunstmatige structuur te creëren die de gevoeligheid, selectiviteit en snelheid van het reuksysteem van dieren overtreft.

In een studie gepubliceerd in Nationale wetenschappelijke recensiepresenteerden onderzoekers van het Fujian Institute of Research on the Structure of Matter van de Chinese Academy of Sciences, het Beijing Institute of Technology en de Kyoto University een nieuw paradigma van een core-sheath-pijler (CSP)-architectuur met een perfecte synergetische interface die de voordelen effectief integreert van metaalorganische raamwerken (MOF’s) en metaaloxiden (MO’s) om de bovengenoemde uitdaging aan te gaan.

De onderzoekers bedekten NH₂-MIL-125, kristallijn microporeus materiaal met een hoge affiniteit voor analyten, op het oppervlak van TiO₂ nanodraden met een corndog-achtige core-sheath pijler (CSP) architectuur. NH₂-MIL-125 adsorbeert selectief en concentreert lokaal de doelmoleculen, terwijl TiO₂ levert de actieve plaatsen voor de detectiereactie en geleidt het elektrische detectiesignaal.

De essentiële vraag van CSP (MO, MOF) is hoe een perfecte MOF/MO-interface op de energieband kan worden gecreëerd die op effectieve wijze door licht opgewekte ladingsdragers kan genereren en scheiden om actieve zuurstofsoorten te produceren.

De onderzoekers ontwikkelden een tweestaps zaad-geassisteerde solvothermale methode om dit type CSP-architectuur te fabriceren, de gewenste zichtbaar-licht-actieve en analyt-toegankelijke MOF/MO-interface werd bereikt door NH₂-MIL-125 gekoppeld aan TiO₂. Ze onthulden niet alleen de nieuwe structuur van CSP TiO₂NH₂-MIL-125), maar loste ook een fundamenteel wetenschappelijk probleem op in de sensorgemeenschap. Het is voor het eerst dat georiënteerd MOF-materiaal kan worden gekweekt op nanogestructureerd materiaal om uitgelijnde microkanalen te realiseren.

De onderzoekers verduidelijkten dat de oriëntatie een kritische factor is voor MOF-materiaal in de toepassing die zowel snel massa- als ladingstransport vereist. Met de uitvoerig ontworpen structuur, CSP TiO₂NH₂-MIL-125) toonde uitstekende parameters van de detectiearchitectuur die wordt gebruikt voor explosieve analyten.

Het gefabriceerde apparaat toonde aan dat de experimenteel bereikte detectielimiet (~ 0,8 ppq, hexogeon) 10 . is³ keer lager dan de laagste bereikt door speurhonden of alle detectietechnieken zonder voorconcentratie van analyten. CSP TiO₂NH₂-MIL-125) bereikte contactloze en real-time detectie van hexogeen met een hoeveelheid van slechts 5 mg en een afstand tot 8 m. Het vertoonde ook opmerkelijke selectiviteit en stabiliteit, en korte responstijden van 0,14 min.

Deze studie combineert fundamenteel begrip van een detectiemechanisme met praktische detectie van chemische bedreigingen. In een breder perspectief zorgt het huwelijk van MO’s met MOF’s voor een paradigmaverschuiving in het ontwerpen van uitzonderlijk hoogwaardige detectiematerialen voor het bevorderen van de ontwikkeling van detectietechnieken van de volgende generatie.