Международная группа ученых из лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Новосибирского государственного университета, Института катализа СО РАН, Института неорганической химии СО РАН и Манчестерского университета разработала новый вид микропористых материалов — металл-органических каркасов, основанный на принципах направленного молекулярного дизайна.
Металл-органические каркасы представляют собой новый класс пористых гибридных материалов с регулярной кристаллической структурой, состоящей из неорганических центров (ионы металлов или атомные кластеры из оксидов металлов), соединенных между собой органическими мостиковыми лигандами — линкерами. Подобная организация создает условия для создания пористых материалов с крайне разнообразным химическим составом и представляет собой платформу для направленного синтеза функциональных материалов широкого круга применения.
В работе, опубликованной в престижном международном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, учёные описывают, как им удалось при помощи направленного синтеза получить серию стабильных пористых каркасов, сочетающих в себе сверх высокую удельную поверхность пор (~ 3000-4000 м2/г) и высокую рабочую ёмкость удержания метана (0.24 г/г, 163 см3/см−3 при 298 K, 5–65 бар).
Таким образом, при использовании данных материалов в качестве наполнителя, можно увеличить в несколько раз ёмкость стандартных газовых баллонов (например, используемых в автомобилях с газовыми двигателями) при сохранении безопасных рабочих давлений.
— Важным достижением является регулируемый размер и геометрия пор: при сохранении общей топологии каркаса длина цилиндрических пор регулируется направленным изменением центральной части органического линкера, — говорит соавтор статьи кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем НГУ Даниил Колоколов.
Еще одной отличительной особенностью данных материалов является наличие высокоподвижных структурных фрагментов в пористых каркасах. Таким образом каркас представляет собой регулярную структуру (array) стохастических молекулярных роторов. При этом характер этой структурной подвижности может оказывать существенное влияние на другие функциональные свойства, например, на частотную зависимость диэлектрической проницаемости или способность адсорбировать вещества различной химической природы.
Новосибирские ученые внесли основной вклад в изучении структурной подвижности новых материалов и позволили наглядно показать, что дизайн органического линкера позволяет направленно регулировать скорость и другие параметры вращения подвижных молекулярных фрагментов структуры.
По словам Колоколова, этот результат, с одной стороны, имеет важное фундаментальное значение, поскольку при помощи молекулярного дизайна удалось достичь детального контроля над свойствами пористых каркасов. С другой, более практической стороны, удалось создать серию материалов с регулируемыми параметрами диэлектрической проницаемости, что может найти применение при создании новых диэлектриков, а также в качестве материалов для химических сенсоров.
