В исследовании, опубликованном в журнале Американского химического общества, ученые из США и Китая описывают новый подход для синтеза новых материалов. Они предлагают по-разному соединять органические «строительные блоки», как детали конструктора «лего». Новый метод позволяет получить легкие, пористые структуры, которые быстро синтезируются и легко изменяются для создания новых материалов с уникальными свойствами, сообщает пресс-служба Университета штата Пенсильвания.
Когда химики или инженеры хотят сделать новый тип материала, они отправляются в лабораторию и начинают «готовить», смешивая соединения. Так же, как повара пытаются улучшить рецепт блюда, ученые пробуют новые химические ингредиенты или регулируют время и температуру «приготовления». А что было бы, если вместо того, чтобы полагаться на длительный процесс «готовки» без гарантий успеха, ученые могли бы просто «соединить» разные химические «кусочки» вместе, чтобы создать что-то новое?
Именно такой метод испробовали исследователи из Университета штата Пенсильвания, Университета Небраски-Линкольна, Колорадской горной школы (США) и Харбинского политехнического университета (Китай). В качестве основного «ингредиента» они использовали относительно новую структуру, известную как ковалентные органические структуры, или COF. COF – это двумерные и трехмерные органические твердые вещества, которые удерживаются вместе прочными ковалентными связями. У COF кристаллическая структура, которая состоит из легких элементов, таких как углерод, азот и кислород. Как и детали лего, химические строительные блоки можно собрать определенным образом, чтобы получить более крупную структуру.
В своем исследовании ученые использовали органические детали, известные как порфирины. Порфирины – это семейство органических структур, обнаруженных в таких белках, как гемоглобин и хлорофилл. Эти структуры содержат в своем центре атом металла, и исследователи хотели бы использовать этот реактивный атом для создания материалов COF с улучшенными свойствами. Однако и у этих материалов нашелся свой недостаток: создание COF – медленный процесс, и может потребоваться несколько дней, чтобы создать всего грамм материала. Существующие методы также позволяют получать COF только в виде порошка, что значительно затрудняет их обработку или перенос на другие материалы.
Ученые нашли быстрый, простой и дешевый способ ускорить процесс. С помощью электричества. Они смогли управлять синтезом полимера, используя подложку под материал, которая проводит электрический ток. Полученный материал – двухмерные листы COF, сложенные в несколько слоев, – является легким и устойчивым к нагреванию, а процесс его «приготовления» занимает не дни, а часы.
В ходе исследования авторы работы столкнулись с еще одной проблемой. Расстояния между слоями двухмерных листов оказалось намного больше, чем ожидалось. Решая эту задачу, ученые обнаружили, что им не хватает одного компонента. Оказалось, что молекула пиридина, которая, по их мнению, обеспечивала только электрохимическую среду, необходимую для протекания реакции, была важным звеном структуры COF.
Идея о том, что такая небольшая органическая молекула с простой кольцевой структурой может помочь в образовании кристаллов, не является новой в химии, но раньше она не считалась важной для структуры COF. Теперь исследователи лучше понимают, что эта молекула обеспечивает поддержку, необходимую COF для формирования кристаллической структуры. Молекула попадает в материал и становится частью кристалла.
Новый подход в настоящее время является отправной точкой для создания многочисленных типов материалов. Изменяя условия реакции и типы используемых строительных блоков COF и заменяя пиридин другой маленькой молекулой, ученые увеличивают возможности для создания новых материалов.
[Иллюстрация: FELICE MACERA]
