Członkowie zespołu badawczego, będący przedstawicielami Uniwersytetu w Birmingham oraz Uniwersytetu Technicznego w Dortmundzie, poinformowali o opracowaniu nowej metody modyfikowania metalowo-organicznych struktur znanych jako MOF. Wykorzystując technikę znaną ludzkości od tysięcy lat, naukowcy postanowili usprawnić te porowate materiały zbudowane z atomów metali połączonych organicznymi cząsteczkami.
Dzięki swojej budowie MOF potrafią wychwytywać i magazynować gazy takie jak dwutlenek węgla czy wodór, a także absorbować wodę z otoczenia. W praktyce oznacza to możliwość wykorzystania ich między innymi w technologiach oczyszczania powietrza, magazynowania energii, produkcji paliw przyszłości czy nowoczesnych membranach przemysłowych. Problem polegał jednak na tym, że takie szkła były niezwykle trudne w obróbce.
Czytaj też: Prawda wyszła na jaw po wielu latach. Ten materiał okazał się czymś zupełnie innym
Do tej pory materiały tego typu miękły dopiero w temperaturach przekraczających 300 stopni Celsjusza, czyli bardzo blisko granicy ich niszczenia. To ogromne utrudnienie dla przemysłu, ponieważ nawet niewielki błąd podczas produkcji może prowadzić do uszkodzenia materiału. Właśnie dlatego naukowcy postanowili sięgnąć po rozwiązanie znane jeszcze od czasów starożytnej Mezopotamii. W klasycznym szkle od wieków stosowano niewielkie ilości dodatków chemicznych, które zmieniały temperaturę topnienia, płynność i wytrzymałość materiału. Teraz naukowcy po raz pierwszy zastosowalie tę samą zasadę względem szkła MOF.
Metodą prób i błędów autorzy odkryli, że dodanie niewielkich ilości związków sodu i litu radykalnie zmienia zachowanie materiału. Szkło staje się bardziej podatne na formowanie, łatwiej płynie podczas podgrzewania i wymaga niższych temperatur do obróbki. To może być ogromny krok w stronę przemysłowej produkcji materiałów, które jeszcze niedawno funkcjonowały głównie jako laboratoryjna ciekawostka.
Szczególne zainteresowanie badaczy wzbudza materiał o nazwie ZIF-62. To jeden z najbardziej znanych przykładów szkła MOF. Można go stopić i ponownie schłodzić, zachowując część jego mikroskopijnej porowatości. Dzięki temu nadal potrafi magazynować gazy i pełnić funkcję specjalistycznych membran filtrujących. Zdaniem naukowców właśnie takie substancje mogą odegrać ważną rolę w przyszłych technologiach energetycznych i klimatycznych.
Sebastian Henke z uczelni w Dortmundzie podkreśla, że cały przełom opiera się na przeniesieniu zasad znanych ze zwykłego szkła do świata materiałów hybrydowych. W tradycyjnych szybach lub światłowodach dodatki chemiczne od dawna wykorzystywane są do kontrolowania właściwości mechanicznych i temperatury topnienia. Teraz udało się pokazać, iż podobne mechanizmy działają także w znacznie bardziej skomplikowanych strukturach MOF.
Czytaj też: Ja programuje gry, a oni samą materię. Spytacie pewnie, kto jest szczęśliwy?
Aby dokładnie zrozumieć, co dzieje się wewnątrz materiału, naukowcy przeprowadzili serię bardzo zaawansowanych analiz atomowych. Wykorzystali między innymi spektroskopię NMR w wysokich temperaturach, pozwalającą śledzić zachowanie atomów wewnątrz szkła. Badania wykazały, że jony sodu nie tylko wypełniają wolne przestrzenie, lecz częściowo zastępują atomy cynku w strukturze materiału. Powoduje to delikatne rozluźnienie całej sieci i zmienia zachowanie szkła podczas podgrzewania.
A co nam może to dać w praktyce? Inżynierowie od lat szukają materiałów, które pozwolą skuteczniej magazynować wodór, wychwytywać dwutlenek węgla i tworzyć wydajniejsze systemy filtracji przemysłowej. MOF są jednym z głównych kandydatów do takich zastosowań, ale ich produkcja była dotąd kosztowna i skomplikowana. Obniżenie temperatury obróbki oraz zwiększenie kontroli nad właściwościami materiału może sprawić, że technologie te zaczną szybciej trafiać do przemysłu.
Źródło: Nature Chemistry
