Soft materials for gas sensing: bijels as chemiresistors.

There is an increasing interest in detection of indoor pollutants, especially Volatile Organic Compounds (VOCs), a wide variety of species characterized by a high volatility present in several products (printing, wood furniture coating, shoemaking, paint manufacturing and metal surface coating). Some of them are supposed to be source of chronic diseases. For this reason, devices able to detect and measure their presence are gaining increasing attention. For this purpose, in this thesis materials which can be used as chemiresistors, i.e., devices that change their electrical resistance when exposed to a certain gas, have been developed. This study focuses on a class of soft materials called bijels, name standing for bicontinuous interfacially jammed emulsions. These materials are characterized by the co-existence of two immiscible phases, hydrophobic and hydrophilic, stabilized by colloidal particles, giving rise to gel-like Pickering emulsions. Monomers employed to produce the hydrophobic phase are ε-caprolactone (ε-CL) and ω-pentadecalactone (ω-PDL). Graphite nanoplatelets or carbon nanotubes were added to the formulations to increase their electrical conductivity, favoring the production of a significant response when exposed to VOCs. Scanning Electron Microscopy (SEM) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) allowed to characterize the materials developed, showing the presence of channel associated to the bicontinuous structure (SEM) and determining the thermal properties of these materials. ε-CL-based bijels showed low value for the melting temperature in two cases (28 and 30 °C), which limits their possible applications due to their possible melting at ambient temperature. ω-PDL samples showed a larger melting temperature, close to 60 °C for all samples. Gas detection tests has been made to determine if these materials were able to detect bijels. Acetone was selected as species representative of VOCs. Several ε-CL and ω-PDL samples showed a significant response when exposed to VOCs, highlighting their possible use as sensing materials.

La misura e il riconoscimento di inquinanti in ambienti chiusi sta assumendo un crescente interesse, specialmente per quanto riguarda i composti organici volatili (chiamati Volatile Organic Compounds, VOC, in inglese). Si tratta di una categoria molto ampia di molecole caratterizzate da un’elevata volatilità presenti in numerosi prodotti (rivestimento mobili in legno e superfici metalliche, solventi per coloranti di scarpe e abbigliamento). Diversi VOC sono considerati come possibili fonti di malattie croniche. Per questa ragione, strumenti in grado di riconoscere e misurare la loro presenza stanno acquisendo interesse. A questo scopo, questa tesi si concentra sullo sviluppo di materiali in grado di essere utilizzati come chemiresistori, ovvero sensori che, a contatto con un certo inquinante, modificano la propria resistenza elettrica. Questo progetto si concentra su una classe di materiali che hanno un comportamento simile ad un gel chiamati bijel, nome che significa “bicontinuous interfacially jammed emulsions”, ovvero emulsioni bicontinue stabilizzate all’interfaccia. Questi materiali sono caratterizzati dalla co-esistenza di due fasi immiscibili, una idrofobica e l’altra idrofila, stabilizzate da particelle colloidali, producendo emulsioni di Pickering con l’aspetto di un gel. I monomeri impiegati per produrre la fase idrofobica sono l’ε-caprolattone (ε-CL) e l’ω-pentadecalattone (ω-PDL). Alle formulazioni sono state aggiunte nanopiastrine di grafene o nanotubi di carbonio con l’intento di aumentare la loro conduttività elettrica, favorendo la produzione di una risposta significativa una volta esposti ai VOC. La Microscopia Elettronica a Scansione (Scanning Electron Microscopy, SEM) e la Calorimetria Differenziale a Scansione (Differential Scanning Calorimetry, DSC) sono tecniche di analisi che hanno permesso di caratterizzare i materiali prodotti, mostrando la presenza di strutture bicontinue (SEM) e permettendo di determinare le proprietà termiche di questi materiali. Bijel prodotti a partire da ε-CL hanno mostrato un basso valore della temperatura di fusione in due casi (28 e 30 °C), condizione che limita una loro possibile applicazione dal momento che potrebbero fondere alla temperatura di esercizio. Bijel prodotti da ω-PDL hanno mostrato una temperatura di fusione molto più alta, prossima a 60 °C per tutti i campioni analizzati. Sono stati effettuati test di rilevazione di gas inquinanti per valutare la presenza o meno di una risposta significativa all’esposizione ai VOC. L’acetone è stato scelto come composto rappresentativo dei VOC. Diversi campioni di ε-CL e ω-PDL hanno mostrato una risposta significativa durante l’esposizione all’acetone, dimostrando la possibilità di utilizzare questi materiali per il riconoscimento dei VOC.