Forskare vid Northwestern University i Evanston, Illinois har utvecklat en hydrogel integrerad med zirkoniumbaserade robusta metallorganiska ramverk (MOF) som snabbt bryter ned organofosfatbaserade nervämnen som används i kemisk krigföring. Till skillnad från befintliga pulverformiga MOF-adsorbenter, denna hydrogelkomposit kräver inte tillsatt vatten och kan lätt skalas upp för användning i skyddsmasker eller kläder. Verket visas 14 juli i tidskriften Chem Catalysis .

"Organofosfatbaserade nervämnen är bland de giftigaste kemikalierna som är kända för mänskligheten, " säger seniorförfattaren Omar Farha, professor i kemi vid Northwestern University. "Deras användning i de senaste globala konflikterna återspeglar det akuta behovet av personlig skyddsutrustning, samt massförstörelse av lager av kemiska vapen. I det här arbetet, vi integrerar MOF:er och amininnehållande tvärbunden hydrogel i tyg för att bygga en riktig mikromiljö för att underlätta snabb nedbrytning av nervämnen och tillhandahålla realtidsskydd."

Medan MOF tidigare har visat en exceptionellt snabb förmåga att bryta ner organofosforämnen och kemikalier som simulerar dem i labbet, dessa pulverformiga adsorbenter har visat sig vara svåra att direkt integrera i skyddsdukar. När nervämnena binder till sina zirkonium-6-kluster, de deaktiverar ofta pulver- och fibrösa kompositkatalysatorer. Denna fallgrop kräver användning av alkaliska lösningar för att regenerera MOF:s katalytiska platser – ett krav som inte hindrar sådana MOF från att användas för att eliminera lagrade kemiska vapen men som hindrar deras användning i bärbara skyddsutrustning.

För att övervinna denna utmaning, Farha och kollegor designade ett MOF-baserat textilkompositsystem som använder vatten i en aminbaserad hydrogel för att bryta ner nervämnen. Materialet fungerar genom att sammanföra tre nyckelkomponenter för hydrolysreaktionerna som demonterar de giftiga organofosformedlen. Zirkoniumnoden i MOF tillhandahåller en Lewis sur plats som aktiverar fosforcentret (den aktiva delen av nervgiftet), medan hydrogelporer fångar upp det nödvändiga vattnet. Grundläggande amingrupper i hydrogelskelettet genererar hydroxylgrupper för att underlätta den nukleofila attacken på organofosforsubstratet och efterföljande undanträngning av hydrolysprodukten på zirkoniumcentret (dvs. katalytisk omsättning).

Forskarna integrerade denna hydrogelkomposit med bomullsfibrer och testade den genom att applicera en liten alikvot av antingen en simulator eller ett verkligt nervgift (testat i samarbete med US Army Lab) på dess yta. Nästa, de analyserade produkten och substratet med hjälp av kärnmagnetisk resonansspektroskopi. De fann att kompositen kemiskt omvandlade 99% av medlet inom bara 10 minuter, bibehålla denna höga nivå av katalytisk aktivitet även efter att den förvarats i en förseglad flaska i 3 månader.

"Kompositmaterialet som utvecklats här representerar en betydande förbättring jämfört med vad vi tidigare utvecklat, " säger Farha. "Det är också viktigt att notera att de reaktiviteter som rapporteras här med kompositen i dess fasta tillstånd är jämförbara med de som erhålls i alkaliska vattenlösningar."

Eftersom författarna föreställer sig att den nya hydrogelkompositen används som ett reaktivt skikt i kostymer och masker, de noterar att ytterligare ingenjörskonst och testning kommer att behövas för att integrera den i dessa befintliga produkter. Dock, eftersom metoden som används för att producera kompositen är enkel och lätt skalbar, Farha föreslår att storskalig produktion av MOF-baserade masker och kostymer kan vara möjlig i framtiden.

"Vi håller på att optimera kompositmaterialet för att vara lämpligt för verkliga förhållanden, ", säger Farha. "Vi hoppas att dessa material i framtiden kommer att kommersialiseras och användas för att skydda människors liv."