«Нервно-паралитические вещества на основе фосфорорганических соединений являются одними из самых токсичных химических веществ, известных человечеству», – говорит старший автор Омар Фарха, профессор химии Северо-Западного университета. "Их использование в недавних глобальных конфликтах отражает острую потребность в средствах индивидуальной защиты, а также массовое уничтожение запасов химического оружия. В этой работе мы интегрируем MOF и аминосодержащий сшитый гидрогель в ткань, чтобы создать надлежащую микросреду, способствующую быстрой деградации нервно-паралитических агентов и обеспечивающую защиту в реальном времени."
Хотя ранее MOF демонстрировали исключительно быструю способность разрушать фосфорорганические агенты и химические вещества, моделирующие их в лаборатории, оказалось, что эти порошкообразные адсорбенты трудно напрямую интегрировать в защитные ткани.
Когда нервно-паралитические вещества связываются со своими кластерами циркония-6, они часто дезактивируют порошковые и волокнистые композитные катализаторы. Эта ловушка требует использования щелочных растворов для регенерации каталитических центров MOF – требование, которое не препятствует использованию таких MOF для уничтожения накопленного химического оружия, но препятствует их использованию в носимых защитных средствах.
Чтобы преодолеть эту проблему, Фарха и его коллеги разработали текстильную композитную систему на основе MOF, в которой вода в гидрогеле на основе амина используется для расщепления нервно-паралитических агентов.
Материал работает, объединяя три ключевых компонента для реакций гидролиза, которые устраняют токсичные фосфорорганические агенты. Циркониевый узел MOF обеспечивает кислотный сайт Льюиса, который активирует фосфорный центр (активная часть нервно-паралитического агента), в то время как поры гидрогеля задерживают необходимую воду.
Основные аминогруппы в основной цепи гидрогеля образуют гидроксильные группы для облегчения нуклеофильной атаки на фосфорорганический субстрат и последующего замещения продукта гидролиза на циркониевом центре (i.е., каталитический оборот).
Исследователи объединили этот гидрогелевый композит с хлопковыми волокнами и протестировали его, нанеся на его поверхность небольшую аликвоту имитатора или реального нервно-паралитического агента (проверенного в сотрудничестве с лабораторией армии США). Затем они проанализировали продукт и субстрат с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса.
Они обнаружили, что композит химически преобразовал 99% агента всего за 10 минут, сохраняя этот высокий уровень каталитической активности даже после того, как он хранился в запечатанном флаконе в течение 3 месяцев.
«Разработанный здесь композитный материал представляет собой значительное улучшение по сравнению с тем, что мы разработали ранее», – говорит Фарха. «Также важно отметить, что указанная здесь реакционная способность композита в твердом состоянии сопоставима с реакционной способностью, полученной в щелочных водных растворах."
Поскольку авторы предполагают, что новый гидрогелевый композит будет использоваться в качестве реактивного слоя в костюмах и масках, они отмечают, что для его интеграции в эти существующие продукты потребуются дальнейшие разработки и испытания. Однако, поскольку метод, используемый для производства композита, прост и легко масштабируется, Фарха предполагает, что в будущем возможно крупномасштабное производство масок и костюмов на основе MOF.
«Мы находимся в процессе оптимизации композитного материала, чтобы он подходил для реальных условий», – говорит Фарха. «Мы надеемся, что в будущем эти материалы будут коммерциализированы и использованы для защиты человеческой жизни."