Designed multifunctional ionogels for gas sensing

Abstract

Ionic liquids and liquid crystals are emerging options in gas sensing due to the richness of their chemical structures, important for sensor selectivity, and to their dynamic self-assembly nature, as a response to gaseous analytes. Nonetheless, their physical state is a serious limitation to this application. This thesis focused on the development of new bio-based, sustainable materials based on the entrapment of ionic liquids within a 3D matrix (ionogel) or liquid crystal droplets within a biopolymeric matrix (hybrid gels) to be apply as sensitive layers in gas sensing and electronic nose technologies. In ionogels, the ionic conductivity reversible changes in the presence of volatile organic compounds (VOCs). In hybrid gels, there is a reversible optical reorientation in the ionic liquid-liquid crystal droplets. Gelatin hybrid gels were coupled with artificial intelligence algorithms to develop a custom-made electronic nose. Moreover, the tunability of gelatin-based ionogels and hybrid gels towards humidity sensing was modified by simply changing the ionic liquid anion. The use of more or less hygroscopic ionic liquids in the gels composition not only influenced the gel humidity sensitivity and VOC sensing capability but also its mechanical properties. Gelatin-based gels optical and electrical properties changed upon exposure to humidity and VOCs (ethanol, acetone, toluene and hexane) under dry and humidified environments, revealing to be complementary. We explored the use of simple biological molecules such as peptides to gelate ionic liquids. The newly developed tripeptide ionogels were first studied as a function of ionic liquid:water content, contributing to a deeper knowledge of the self-assembly process. Afterwards, we have rationally designed a peptide ionogel. Peptide ionogels were explored as sensing materials in a tailor-made electronic nose. Specifically, we have shown their potential to act as humidity sensor and to discriminate between volatile organic compounds under environmental conditions. Overall, this work shows the potential of new stimuli-responsive and sustainable bio-based materials in the development of electro-optical devices able to perform under environmental conditions, which are promising for innovative applications in gas sensing and in artificial olfaction.

Líquidos iónicos e cristais líquidos são opções emergentes na deteção de gases devido à riqueza das suas estruturas químicas, importante para a seletividade do sensor e, devido à sua natureza dinâmica de auto-organização, nomeadamente em resposta a analitos gasosos. No entanto, o seu estado físico é uma limitação para esta aplicação. Esta tese focou-se no desenvolvimento de novos materiais biológicos e sustentáveis com base no encapsulamento de líquidos iónicos numa matriz 3D (géis iónicos) ou das gotas de cristal líquido em uma matriz biopolimérica (géis híbridos) para serem aplicados como filmes sensíveis em tecnologias de deteção de gases e em narizes eletrónicos. Nos géis iónicos, a condutividade iónica é modificada reversivelmente na presença de compostos orgânicos voláteis (VOCs). Nos géis híbridos, ocorre uma reorientação ótica reversível nas gotas de cristal líquido. Os géis híbridos de gelatina foram conjugados com a implementação de algoritmos de inteligência artificial para desenvolver um nariz eletrónico. Além disso, a adaptação dos géis iónicos e dos géis híbridos de gelatina para a deteção de humidade, foi mostrada simplesmente mudando o anião do líquido iónico. O uso de líquidos iónicos mais ou menos higroscópicos na composição dos géis não só influenciou a sensibilidade do gel à humidade e a sua capacidade de deteção de VOCs, mas também as suas propriedades mecânicas. As propriedades óticas e elétricas dos géis de gelatina mudaram com a exposição à humidade e VOCs (etanol, acetona, tolueno e hexano) em ambientes secos e húmidos, revelando-se complementares. Explorámos o uso de moléculas biológicas simples, como péptidos, para gelificar os líquidos iónicos. Os géis iónicos peptídicos desenvolvidos foram estudados em função do conteúdo líquido iónico:água, contribuindo para o conhecimento mais profundo do processo de auto-organização. Posteriormente, desenhamos racionalmente um gel iónico peptídico. Os géis iónicos peptídicos foram explorados como materiais de deteção em um nariz eletrónico. Especificamente, demonstramos o seu potencial para atuar como sensor de humidade e descriminar entre VOCs em condições ambientais. De forma geral, este trabalho demonstra o potencial de novos materiais biológicos. Responsivos a estímulos e sustentáveis no desenvolvimento de dispositivos eletro-óticos capazes de funcionar em condições ambientais. Estes são materiais promissores para aplicações inovadoras em deteção de gases e olfato artificial.