Новосибирские ученые открыли новый метод управления молекулярной подвижностью в пористых металлоорганических каркасах

Сотрудники лабораторий НГУ и Института катализа им. Г. К. Борескова представили исследование влияния электронодонорных «гостей» на подвижность линкеров в металлоорганическом каркасе на основе хрома MIL-101. Особенность этого каркаса заключается в том, что часть его линкеров очень подвижна, и это позволяет регулировать пропускную способность кристаллической конструкции. Новосибирские ученые совершили прорыв: исследовали механизм движения так называемых «молекулярных машин» — организованной определенным образом материи с подвижными вращающимися элементами — и разработали новый способ управления параметрами вращения молекулярных роторов в структуре каркаса.

Одно из важнейших направлений для современных исследований металлоорганических каркасов — создание сенсоров нового поколения, которые могут иметь как фундаментальное, так и прикладное значение. Например, для получения чистых реагентов для процессов, где сверхмалые примеси могут испортить качество получаемого материала, как в полупроводниковой промышленности или при получении новых лекарств.

— Есть микропористые материалы, которые можно использовать в качестве платформы для абсорбции. А можно смотреть шире и применять их еще и в качестве сенсоров. В отсутствие гостевых молекул люминесценции никакой нет — она тушится за счет вращения «молекулярных роторов» — подвижных фрагментов структуры каркаса. Но когда появляется достаточное количество «гостей», которые тормозят вращение, в материале, через который проходит вещество, появляется свечение — его можно засечь, применяя доступные оптические методы. Таким образом, получается, что при использовании подвижности линкеров мы получаем очень точный индикатор, реагирующий на посторонние вещества, — рассказал старший научный сотрудник лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем ФФ НГУ и ИК СО РАН Даниил Колоколов. Он подчеркнул, что перед учеными сейчас стоит важная задача — создание сенсоров на основе различных принципов, в первую очередь оптических. По словам исследователя, подобные разработки вносят вклад в создание химического «языка», способного при помощи различных методов и способов (таких как ультразвук, электрические сигналы и других) улавливать малейшие примеси посторонних веществ.

Новосибирские ученые исследовали динамику пустого MIL-10 и в присутствии гостевых молекул и выяснили, что в зависимости от количества и типа гостевых молекул в активных центрах конструкции скорость и параметры вращения линкеров радикально меняются. Таким образом сотрудники НГУ и Института катализа научились управлять процессом вращения молекулярных «роторов» за счет химического взаимодействия — эти уникальные методы впервые в мире были применены именно учеными Академгородка.

— Мы выяснили, что вращение сильно зависит от координируемой молекулы. Мы сравнивали четыре типа молекул: воду (побочный продукт реакции окисления), трет-бутиловый спирт и типичные зонды для измерения кислотности в катализе. Исходя из подвижности линкеров, нам удалось доказать, что сильнее всего координируется вода. Меняя тип координируемой молекулы, мы можем теперь управлять скоростью вращения и энергетическим барьером при нужной температуре, — пояснил Даниил Колоколов. — Важно отметить, что влияние гостевых молекул обусловлено не просто геометрическим заполнением поры каркаса, а точечным взаимодействием молекулы гостя с активным центром. Это требует гораздо меньшего количества гостей.

Кроме того, сейчас новосибирские исследователи работают над влиянием на изменения геометрии функциональных групп, что также позволить регулировать транспортировку определенных веществ путем сужения молекулярных окон.

— На данный момент одна из основных функций каркаса — каталитическая. Он используется не просто как носитель активных центров, а еще как своеобразный наноразмерный реактор. Есть целое направление в науке — создание микрореакторов для химических превращений. Если вся реакция происходит в микропорах, процесс проще контролировать – большой поток разбивается на множество маленьких элементов, — объяснил исследователь.