Ученые нашли способ сделать перспективный класс пористых материалов значительно проще в производстве. Они применили принцип, известный стеклодувам уже несколько тысяч лет, чтобы улучшить свойства металлоорганических каркасных стекол (MOF-стекол). Это открытие приближает эти уникальные материалы к реальному промышленному использованию — от улавливания углекислого газа до хранения водорода и создания специальных покрытий.
MOF-стекла состоят из атомов металлов, связанных органическими молекулами. Они обладают высокоразвитой пористой структурой, которая отлично захватывает и удерживает различные газы. Однако до сих пор их производство было серьезно ограничено: эти стекла размягчаются при очень высоких температурах — выше 300 °C, что близко к температуре их разрушения. Из-за узкого «технологического окна» формовать и обрабатывать материал было крайне сложно.
Древняя технология
Решение оказалось неожиданно простым. Исследователи обнаружили, что добавление небольших количеств соединений натрия или лития заметно меняет поведение MOF-стекла при нагревании. Эти добавки снижают температуру размягчения материала и улучшают его текучесть, не ухудшая при этом ключевые функциональные свойства — пористость и способность захватывать газы.
«Стекло сопровождает человечество тысячелетиями — от древней Месопотамии до современных оптоволоконных кабелей. Небольшие количества химических модификаторов всегда помогали легче обрабатывать стекло и менять его свойства, — отмечает доктор Доминик Кубицки (Dr Dominik Kubicki) из Университета Бирмингема. — Однако MOF-стекла размягчались только при высоких температурах, близких к температуре деградации. Наше открытие открывает новые возможности для создания высокопроизводительных материалов».
Подход полностью повторяет классическую технологию модификации обычных силикатных стекол. Небольшие добавки нарушают внутреннюю сетчатую структуру, делая материал более послушным при обработке.
Что показали исследования
Ученые тщательно изучили процесс с помощью высокотемпературной твердофазной ядерно-магнитной резонансной спектроскопии (ЯМР) и компьютерного моделирования с применением искусственного интеллекта. Выяснилось, что ионы натрия не просто заполняют пустоты, а частично замещают атомы цинка в структуре, слегка разрыхляя сетку и улучшая текучесть.
Профессор Себастьян Хенке (Sebastian Henke) из Технического университета Дортмунда подчеркивает: «Наш подход вдохновлен тем, как веками модифицировали обычные силикатные стекла — нарушая структуру сети для управления температурой плавления и механическими свойствами. Теперь мы успешно перенесли этот принцип на гибридные металлоорганические стекла».
Особенно перспективным выглядит пример ZIF-62 — одного из самых известных MOF-стекол, которое можно расплавить и снова охладить, сохраняя часть пористости.
Новое открытие дает четкую дорожную карту для создания MOF-стекол с заранее заданными свойствами. Хотя ученые признают, что еще предстоит поработать над стабильностью материалов и точным прогнозированием их поведения в реальных условиях, шаг вперед получился значительным.
Исследование, проведенное международной командой из Университета Бирмингема, Технического университета Дортмунда и других научных центров, опубликовано в журнале Nature Chemistry.
