Per testare le capacità del nuovo sensore, i ricercatori hanno depositato i nanotubi di carbonio e altri componenti del sensore su un vetrino. Lo hanno quindi utilizzato per monitorare la produzione di etilene in due tipi di fiori:garofani rossi e lisianthus viola.
Il monitoraggio dell'ormone vegetale etilene potrebbe rivelare quando frutta e verdura stanno per deteriorarsi.
Quando i fiori sbocciano e i frutti maturano, emettono un gas incolore e dall'odore dolce chiamato etilene. I chimici del MIT hanno ora creato un minuscolo sensore in grado di rilevare questo gas in concentrazioni fino a 15 parti per miliardo, che ritengono possa essere utile per prevenire il deterioramento degli alimenti.
Il sensore, costituito da cilindri semiconduttori chiamati nanotubi di carbonio, potrebbe essere utilizzato per monitorare frutta e verdura mentre vengono spedite e immagazzinate, contribuendo a ridurre gli sprechi alimentari, afferma Timothy Swager, John D. MacArthur Professor of Chemistry al MIT.
"C'è un bisogno persistente di una migliore gestione degli alimenti e di una riduzione degli sprechi alimentari", afferma Swager. "Le persone che trasportano frutta in giro vorrebbero sapere come sta durante il trasporto e se devono adottare misure per mantenere basso l'etilene durante il trasporto".
Oltre al suo ruolo naturale come ormone vegetale, l'etilene è anche il composto organico più prodotto al mondo e viene utilizzato per fabbricare prodotti come plastica e abbigliamento. Un rilevatore di etilene potrebbe anche essere utile per monitorare questo tipo di produzione industriale di etilene, affermano i ricercatori.
Swager è l'autore senior dello studio, che appare oggi (18 marzo 2020) sulla rivista ACS Central . Il postdoc del MIT Darryl Fong è l'autore principale del documento, e anche lo studente laureato del MIT Shao-Xiong (Lennon) Luo e la visiting scholar Rafaela Da Silveira Andre sono autori.
Maturi o meno
L'etilene è prodotto dalla maggior parte delle piante, che lo usano come ormone per stimolare la crescita, la maturazione e altre fasi chiave del loro ciclo di vita. Le banane, ad esempio, producono quantità crescenti di etilene man mano che maturano e diventano marroni, ei fiori lo producono mentre si preparano a sbocciare. I frutti e i fiori sotto stress possono produrre in eccesso l'etilene, portandoli a maturare o appassire prematuramente. Si stima che ogni anno i supermercati statunitensi perdano circa il 12% della loro frutta e verdura a causa del deterioramento, secondo il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti.
Nel 2012, il laboratorio di Swager ha sviluppato un sensore di etilene contenente array di decine di migliaia di nanotubi di carbonio. Questi cilindri di carbonio consentono agli elettroni di fluire lungo di essi, ma i ricercatori hanno aggiunto atomi di rame che rallentano il flusso di elettroni. Quando è presente l'etilene, si lega agli atomi di rame e rallenta ancora di più gli elettroni. Misurare questo rallentamento può rivelare la quantità di etilene presente. Tuttavia, questo sensore può rilevare solo livelli di etilene fino a 500 parti per miliardo e, poiché i sensori contengono rame, è probabile che alla fine vengano corrosi dall'ossigeno e smettano di funzionare.
"Non esiste ancora un buon sensore commerciale per l'etilene", afferma Swager. "Per gestire qualsiasi tipo di prodotto conservato a lungo termine, come mele o patate, le persone vorrebbero poterne misurare l'etilene per determinare se è in modalità di stasi o se sta maturando".
Swager e Fong hanno creato un nuovo tipo di sensore di etilene anch'esso basato su nanotubi di carbonio ma che funziona con un meccanismo completamente diverso, noto come ossidazione di Wacker. Invece di incorporare un metallo come il rame che si lega direttamente all'etilene, hanno utilizzato un catalizzatore metallico chiamato palladio che aggiunge ossigeno all'etilene durante un processo chiamato ossidazione.
Poiché il catalizzatore al palladio esegue questa ossidazione, il catalizzatore guadagna temporaneamente elettroni. Il palladio passa quindi questi elettroni extra ai nanotubi di carbonio, rendendoli più conduttivi. Misurando la variazione risultante nel flusso di corrente, i ricercatori possono rilevare la presenza di etilene.
Il sensore risponde all'etilene entro pochi secondi dall'esposizione e, una volta che il gas è esaurito, il sensore torna alla sua conduttività di base entro pochi minuti.
"Stai alternando tra due diversi stati del metallo e, una volta che l'etilene non è più presente, torna da quello stato transitorio ricco di elettroni al suo stato originale", afferma Fong.
"Il riutilizzo del sistema catalitico ossidativo Wacker per il rilevamento dell'etilene è stata un'idea eccezionalmente intelligente e fondamentalmente interdisciplinare", afferma Zachary Wickens, assistente professore di chimica presso l'Università del Wisconsin, che non è stato coinvolto nello studio. "Il team di ricerca ha attinto alle recenti modifiche all'ossidazione di Wacker per fornire un robusto sistema catalitico e lo ha incorporato in un dispositivo a base di nanotubi di carbonio per fornire un sensore di etilene straordinariamente selettivo e semplice."
In fiore
Per testare le capacità del sensore, i ricercatori hanno depositato i nanotubi di carbonio e altri componenti del sensore su un vetrino. Lo hanno quindi utilizzato per monitorare la produzione di etilene in due tipi di fiori:garofani e lisianthus viola. Hanno misurato la produzione di etilene in cinque giorni, consentendo loro di monitorare la relazione tra i livelli di etilene e la fioritura delle piante.
Nei loro studi sui garofani, i ricercatori hanno scoperto che c'era un rapido picco nella concentrazione di etilene il primo giorno dell'esperimento e i fiori sono sbocciati poco dopo, il tutto in un giorno o due.
I fiori di lisianthus viola hanno mostrato un aumento più graduale dell'etilene che è iniziato durante il primo giorno ed è durato fino al quarto giorno, quando ha iniziato a diminuire. Di conseguenza, la fioritura dei fiori è stata distribuita su diversi giorni e alcuni non erano ancora fioriti alla fine dell'esperimento.
I ricercatori hanno anche studiato se i pacchetti di cibo per piante forniti con i fiori hanno avuto alcun effetto sulla produzione di etilene. Hanno scoperto che le piante nutrite con il cibo mostravano lievi ritardi nella produzione e nella fioritura di etilene, ma l'effetto non era significativo (solo poche ore).
Il team del MIT ha depositato un brevetto sul nuovo sensore. La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation, dal Programma di tecnologia per la qualità ambientale del Centro di ricerca e sviluppo degli ingegneri dell'esercito degli Stati Uniti, dal Consiglio canadese per la ricerca di scienze naturali e ingegneria e dalla Fondazione di ricerca di San Paolo.
Riferimento:"Trace Ethylene Sensing via Wacker Oxidation" di Darryl Fong, Shao-Xiong Luo, Rafaela S. Andre e Timothy M. Swager, 18 marzo 2020, ACS Central .
DOI:10.1021/acscentsci.0c00022
