Металл-органические каркасные полимеры (МОСР) способны стать прорывной технологией для промышленности XXI века. В наши дни исследование пористых координационных полимеров является самостоятельной научной областью на стыке неорганической химии, химии твердого тела, науки о поверхности и других химических направлений. В ведущих странах мира несколько десятков лабораторий активно ведут изучение таких соединений. В Самарском университете на базе Межвузовского научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) ведутся разработки в этой области с учеными из США, Великобритании, Германии, Италии и других стран.
В июле 2018 г. Российский фонд фундаментальных исследований и Лондонское Королевское Общество выделили грант сотруднику МНИЦТМ Самарского университета Евгению Александрову, который в кооперации с доктором Мэтью Аддикоатом (Nottingham Trent University, Великобритания) будет разрабатывать инструменты классификации и компьютерного дизайна новых материалов.
Источник: Международный исследовательский институт интеллектуальных материалов
Химия этих удивительных полимеров состоит в повторяющихся неорганических и органических блоках. Важной особенностью является то, что у таких полимеров огромные перспективы для молекулярного дизайна. По строению они похожи на ЛЕГО, где детали можно соединять вместе в отдельные фрагменты. Число возможных структур и фрагментов огромно, а главное, эти соединения обладают рекордными показателями пористости.
«Один грамм такого вещества имеет поверхность пор соизмеримую по площади с футбольным полем», - подчеркнул Евгений Александров. Такая пористость идеально подходит для поглощения и хранения газов. Молекулы газов движутся хаотично и жестко реагируют на ограничения и смену давления. К примеру, если нагреть закрытую емкость с газом, то из-за высокого давления газ может разорвать баллон. При этом газ может накапливаться на поверхности твердого тела. Такой процесс называется адсорбцией. В адсорбированном состоянии газ накапливается на стенках пор. Его молекулы перестают двигаться и сталкиваться друг с другом, и давление уменьшается.
«Очевидно, что если увеличить внутреннюю поверхность пористого материала, то можно будет хранить больше газообразного вещества. Возьмем, к примеру, метан. Его удобно концентрировать в порах металлорганических структур. В обычном сосуде метана помещается немного, при этом нужно еще и обеспечить очень большое давление: около 200 атмосфер. Если же заполнить сосуд или танкер новым микропористым веществом (в виде порошка), благодаря легкости и низкой плотности, оно займет по объему всего лишь 20% в пересчете на плотное вещество. В итоге, несмотря на то, что мы заняли 20% атомами, остается пористое пространство, в котором метан «упаковывается» с большей плотностью из-за взаимодействия со стенками пор. И, к примеру, при давлении всего в 30 атмосфер, то есть в 6 раз меньше, чем рабочее, мы можем хранить идентичное количество метана», - рассказывает Евгений Александров.
Такая технология будет востребована и в автомобильной промышленности с переходом на газовое топливо. Газы дешевле и экологичнее нефти в переработке и в использовании. Но баллоны для их хранения и транспортировки должны выдерживать большое давление. Благодаря полимерам баки и баллоны станут значительно легче и дешевле, а давление газа уменьшится в 4 раза. Хранение метана в таком топливном баке позволит проезжать большие расстояния.
Исследователи также отмечают и то, что металл-органические каркасные полимеры могут помочь в борьбе за чистый воздух. «Этими каркасами мы можем «ловить» определенные молекулы, например, углекислого газа, загрязняющего атмосферу. Есть красивое решение по устранению выхлопных газов - в выхлопную трубу автомобиля устанавливаем колонку, наполненную сорбентом, который ловит углекислый газ, а затем каталитической реакцией переводим этот газ обратно в топливо», - подчеркивает Александров.
Доктор Мэтью Аддикоатом, работающий над проектом совместно с самарскими коллегами, рассказал о свойствах материалов будущего. «Металл-органические каркасные полимеры – достойная альтернатива существующим сорбентам во многих областях: очистка, хранение газов. Это идеальные мембраны для разделения газов, катализаторы, сенсоры, наноконтейнеры для токсичных и нестабильных веществ. Также их можно использовать в медицине - для создания «умных» лекарств пролонгированного действия. Каркасные полимеры пригодятся для изготовления медицинских баллонов с кислородом».
В рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований группа исследователей будет реализовать проект в течение двух лет. «На данный момент в МНИЦТМ мы создали базу данных строительных блоков MOCP, синтонов, полостей, которая поможет в осуществлении проекта. Строительные блоки — это органические линкеры или связки и вторичные строительные единицы, содержащие катионы металлов. Именно катионы склеивают линкеры в общую структуру. Из строительных блоков собираются каркасы, как из кирпичей архитектурные сооружения», - отмечает Евгений Александров.
Ученые надеются на положительные результаты, которые позволят создать новые революционные технологии для различных сфер жизни.
