Ученые адаптировали многовековой принцип химии для создания нового типа стекла на основе металлоорганических каркасных структур (МОКС) — атомов металлов, соединенных органическими молекулами, — которые эффективно улавливают CO₂, водород и даже воду.
Международная исследовательская группа, в которую входят ученые из Дортмундского технического университета и Бирмингемского университета, опубликовала результаты исследования в журнале Nature Chemistry. Ученые показали, что стекла на основе металлоорганических каркасных структур можно настраивать и модифицировать так же, как и традиционные стекла.
Исследователи обнаружили, что добавление в стекло небольших количеств химических соединений, содержащих натрий или литий, меняет его свойства и структуру. Химические вещества снижают температуру, при которой стекло размягчается, и влияют на его текучесть при нагревании, что упрощает производство.
Этот процесс может открыть перспективы для создания высокоэффективных материалов, используемых для разделения газов, хранения химических веществ и нанесения современных покрытий.
Доктор Доминик Кубицки из Бирмингемского университета сказал: «Стекло было частью человеческой цивилизации на протяжении тысячелетий. От древней Месопотамии до современных оптоволоконных кабелей — небольшое количество химических модификаторов облегчает обработку стекла и меняет его функциональные свойства. Однако стекла на основе металлоорганических каркасных структур размягчаются только при высоких температурах — выше 300 °C — близких к температуре их разрушения, что затрудняет производство и ограничивает возможности их применения».
Одним из самых известных примеров МОКС-стекла является ZIF-62 — пористый материал, который можно расплавить и охладить до состояния стекла, сохранив часть внутренней пористости. Это делает его привлекательным для применения в области разделения газов, в мембранах и катализаторах.
Профессор Себастьян Хенке из Дортмундского технического университета сказал: «Наш подход основан на модификации традиционных силикатных стекол: разрушении их сетчатой структуры для изменения характеристик плавления и механических свойств. Тот же принцип можно применить к гибридным металлоорганическим стеклам. Это достижение приближает применение МОКС-стекол в реальном производстве и в таких областях, как разделение газов, их хранение, катализ и многое другое».
Чтобы понять, как натриевые добавки изменяют внутреннюю структуру стекла, потребовались передовые методы исследования. Ученые провели анализ структуры модифицированного стекла на атомном уровне, а также эксперименты по высокотемпературной твердотельной спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на установке для твердотельной ЯМР-спектроскопии высокого поля.
Эта работа позволила ученым понять, как именно ионы натрия встраиваются в структуру стекла и нарушают ее целостность.
Исследователи из Бирмингема использовали вычислительное моделирование на основе искусственного интеллекта для интерпретации сложных данных ядерного магнитного резонанса. Оно позволило понять, как натрий взаимодействует со структурой стекла, что стало важным подтверждением экспериментальных наблюдений.
Исследования показали, что натрий не просто заполняет пустоты, но и занимает место некоторых атомов цинка, что слегка ослабляет структуру. Авторы статьи рекомендуют провести дополнительные исследования, чтобы понять, как сделать материалы более стабильными, прогнозировать их поведение и проверить, насколько они полезны в реальных технологиях.
[Фото: freepik / Magnific.com]
