Nanocarbonos a partir de estructuras metalorgánicas: un avance en la tecnología de sensores por científicos de Tomsk

Científicos de la Escuela de Investigación de Tecnologías Químicas y Biomédicas de la Universidad Politécnica de Tomsk (TPU), en colaboración con colegas de China, han desarrollado una tecnología innovadora para crear materiales para sensores funcionales flexibles y duraderos basados en estructuras metalorgánicas (MOF). Esta tecnología incluye el procesamiento láser de las estructuras, lo que resulta en su transformación en nanocarbonos luminiscentes. El compuesto resultante demostró excelentes características de rendimiento como electrodos flexibles para sensores de temperatura y flexión, con alta resistencia mecánica.

La creación de sensores flexibles multifuncionales, como los sensores de temperatura y presión, abre nuevas perspectivas para su aplicación en una variedad de campos, desde el transporte y la energía hasta la medicina. Sin embargo, en los sensores tradicionales, a menudo surgen dificultades para registrar los cambios relacionados con la temperatura, la presión o la deformación. Los científicos de la TPU descubrieron que el procesamiento láser de MOF (polímeros que se investigan activamente en la actualidad) puede aumentar la señal de luminiscencia hasta 70 veces. Al utilizar la señal de luminiscencia para medir la temperatura, se pueden distinguir de manera confiable los cambios de temperatura y la deformación del sensor.

Existen otros métodos para aumentar la luminiscencia de los MOF, pero generalmente requieren importantes inversiones de tiempo y procesos sintéticos complejos. El método propuesto por los científicos de la TPU para cambiar las propiedades luminiscentes de los materiales es fácil de aplicar y permite transformar el MOF, que contiene zinc y ligandos orgánicos, en nanocarbonos dopados con N altamente luminiscentes. Las investigaciones se llevaron a cabo bajo la dirección de la profesora Evgenia Sheremet de la TPU y el profesor Ranran Wang del Instituto de Cerámica de Shanghái de la Academia de Ciencias de China.

Como parte del proyecto, los científicos estudiaron un tipo específico de MOF, llamado ZIF-8, y los procesos que ocurren como resultado de su procesamiento láser. Las estructuras metalorgánicas ZIF-8 consisten en zinc y moléculas orgánicas que se autoorganizan en estructuras cristalinas. Poseen propiedades útiles como una gran área de superficie, porosidad controlada y una amplia gama de combinaciones de iones metálicos y ligandos orgánicos. Los científicos de la TPU realizaron una serie de experimentos para establecer la influencia de la radiación láser continua en las propiedades de fotoluminiscencia, aplicando estructuras metalorgánicas a varios sustratos y sometiéndolas a irradiación láser con diferentes duraciones de pulso.

En el proceso de investigación, se descubrió un efecto interesante: al irradiar ZIF-8 con un láser, se puede obtener un material con una luminiscencia muy intensa, independientemente del tipo de sustrato. Esto se logró por primera vez con un láser. Durante el estudio de la transformación del material, se descubrió que se convierte en un nanocarbono dopado con nitrógeno y nanoestructuras de óxido de zinc. Además, al utilizar una película de poliuretano flexible impresa en una impresora 3D, se produjo la integración del carbono en el sustrato, lo que hizo que el material fuera electroconductor y mecánicamente resistente para la electrónica flexible.

El compuesto resultante combina las propiedades de la flexibilidad biomecánica, la sensibilidad de la luminiscencia a la temperatura y la resistencia a las flexiones repetidas. Los científicos también estudiaron la posibilidad de utilizar el compuesto para sensores de temperatura y deformación. La luminiscencia resultó ser sensible a la temperatura y la resistencia eléctrica a la deformación. Al mismo tiempo, el material se mantiene estable durante 10 mil ciclos de flexión, lo que confirma la durabilidad de los electrodos. Este enfoque se puede utilizar para crear sensores de temperatura y flexión, donde ambas señales se pueden medir de forma independiente.