Ученые вернулись к старинному химическому приему, чтобы разработать инновационное стекло. Многолетний опыт стеклодувов помог исследователям найти новые методы синтеза перспективных MOF-стекол, которые могут пригодиться для хранения газов и изготовления современных материалов.
Ирина Медведева
Новое исследование показало, что тщательно подобранные химические добавки могут кардинально изменить свойства стекол на основе металл-органических каркасных структур, что поможет ученым лучше контролировать процесс обработки и создания этих материалов. Фото: Shutterstock. Источник: scitechdaily.com
Новое или хорошо забытое старое?
Специалисты применили классическую химическую идею для улучшения нового класса стекла, созданного из металлоорганических каркасов (MOF) — структур, состоящих из атомов металлов, связанных органическими молекулами. Такие стекла способны удерживать углекислый газ, водород, а также впитывать влагу.
Международная команда ученых, включающая представителей Дортмундского и Бирмингемского университетов, опубликовала результаты в журнале Nature Chemistry. Работа показывает, что MOF-стекла можно регулировать и производить методами, похожими на технологии изготовления обычного стекла.
Исследователи выяснили, что добавление малых количеств веществ с натрием или литием меняет как структуру, так и свойства материала. Эти добавки снижают температуру размягчения стекла и улучшают его текучесть при нагреве, что может упростить производство.
Полученные данные задают новое направление для создания специальных MOF-стекол в передовых технологиях. Среди возможных применений — разделение газов, хранение химических соединений и создание защитных покрытий.
Снижение температуры обработки
Доктор Доминик Кубицки из Бирмингемского университета отметил: «Стекло сопровождает человечество тысячелетиями. От древней Месопотамии до современных оптоволоконных линий малые дозы химических модификаторов упрощают обработку стекла и меняют его свойства.
Однако MOF-стекла размягчаются лишь при высоких температурах — свыше 300 °C (572 °F), что почти равно температуре их разрушения. Это усложняет производство и ограничивает их широкое использование. Наше открытие открывает путь к созданию эффективных материалов будущего».
Одним из самых известных MOF-стекол является ZIF-62 — пористый материал, который можно расплавить и закалить в стекло, сохранив часть внутренней пористости. Благодаря этому он перспективен для разделения газов, создания мембран и катализа.
Профессор Себастьян Хенке из Дортмундского университета добавил: «Наш подход опирается на методы модификации обычных силикатных стекол: мы нарушаем сетчатую структуру, чтобы улучшить плавление и механические характеристики.
Исследование показывает, что тот же принцип применим к гибридным металлоорганическим стеклам. Это усовершенствование приближает MOF-стекла к реальному производству и использованию в газоразделении, хранении, катализе и других сферах».
Раскрывая структуру стекла
Чтобы понять, как добавки натрия меняют внутреннее строение стекла, ученые применили передовые методы анализа. Специалисты из Бирмингемского университета под руководством докторов Доминика Кубицки и Бенджамина Галланта изучили модифицированный материал на атомном уровне.
Команда также провела эксперименты по высокотемпературной твердотельной спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на британской установке. Эти опыты показали, как ионы натрия встраиваются в стеклянную решетку и ослабляют ее связи.
Другая группа из Бирмингема под руководством профессора Эндрю Морриса и доктора Марио Онгкико использовала компьютерное моделирование на основе искусственного интеллекта для интерпретации сложных ЯМР-данных. Машинное обучение показало, как натрий взаимодействует со структурой стекла, и подтвердило экспериментальные результаты.
Сводные данные выявили, что натрий не просто заполняет пустоты внутри материала. Он способен замещать часть атомов цинка, слегка разрыхляя структуру и меняя поведение материала.
Исследователи подчеркивают, что требуется дальнейшая работа для повышения стабильности таких стекол, точного предсказания их свойств и оценки эффективности в практических устройствах.
Материаловедение сегодня — одно из прорывных направлений науки и технологии, о чем неизменно рассказывает наш журнал. Например, о том, как «Норникель» создает первую в мировом масштабе лабораторию, полностью сосредоточенную на новых материалах, основанных на палладии. Её оборудование позволяет изучать свойства металла во всех типах материалов при различных концентрациях, а цель ученых — разработать 100 новых продуктов для разных секторов промышленности.