Сотрудники Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН и лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Физического факультета НГУ детально исследовали структуру металлоорганического каркаса материла ZIF-8, приведенного в частично аморфное состояние – стекло. Стекла из микропористых материалов синтезировали японские ученые. Результаты совместной работы новосибирцев и их коллег из университета Киото был опубликован в журнале Chem Comm (импакт-фактор – 6.290).
Стекла – это огромная часть индустрии. Количество потенциальных применений кристаллической структуры, преобразованной в стекло, увеличивается в десять раз, так как стекло имеет больше возможностей для использования. Стекло успешно поддается геометрическому формованию, имеет большую (по сравнению с синтезированными кристаллическими мембранами) плотность и цельность. Кристаллам же для поддержания нужной формы необходимые связующие вещества. Абсорбционные мембраны устроены еще сложнее: из-за невозможности спрессовать пленку ученые вынуждены создавать полимеры, которые становятся основой кристаллической мембраны, однако такой материал может распадаться, пропускать вещества, которые должен задерживать.
Японские ученые сделали первые шаги к изготовлению стекол из кристаллических материалов. За последние четыре года ими был осуществлен прорыв – создание стекол, во многом сохраняющих пористые свойства кристаллов, и вместе с тем пригодных к формованию. Новосибирские исследователи подробно изучили динамическую структуру нового фазового состояния.
— Создание стекол из гибридных материалов – это совершенно нетривиальное явление, так как органика при 500 °C просто сгорит. Однако были найдены специальные условия, которые сделали возможным появление пористого стекла. Этот продукт можно использовать, чтобы регулировать проницаемость различных реакторов и труб для повышения эффективности очистки веществ. Но, в отличие от кристалла, структура стекла не упорядочена. Поэтому, используя компетенции новосибирского научного центра, мы пытаемся понять, как и почему этот материал работает, а также почему одни виды металлоорганических каркасов стеклуются, а другие, похожие на них, нет, — рассказал старший научный сотрудник лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем ФФ НГУ и ИК СО РАН Даниил Колоколов.
Сибирские ученые исследовали частично аморфный материал, полученный из перспективного с точки зрения процессов разделения углеводородов кристалла ZIF-8. Выяснилось, что локальная структура материала сохраняется, но меняется динамика структурных объектов – увеличивается подвижность пропускающих окон, появляются новые типы движения.
— Из-за аморфности материала подвижность окон увеличивается, и, следовательно, это можно использовать для абсорбции более крупных веществ. Материал оказался локально искажен, что отразилась на органических структурах, линкерах – они стали гораздо подвижнее. Старые виды движения ускорились. Эта модификация помогла изменить параметры пропускной способности окон, снизить барьер, — отметил Даниил Колоколов.
Изменения, зафиксированные учеными НГУ и ИК СО РАН при помощи уникального метода твердотельной спектроскопии ядерного магнитного резонанса, демонстрируют, как меняется подвижность кристалла. Изучение стекла таким способом может дать науке более глубокую и детальную информацию о свойствах уже существующих стекол. Новосибирские исследователи показали, что динамика чувствительна к строению нового состояния. Данный подход можно распространить на похожие стеклующиеся материалы и расширить сферу применения этих веществ, их потенциал, а также привлечь к результатам исследования промышленный интерес.
— Совместно с нашими коллегами нам удалось получить пример метод синтеза частично разупорядоченных структур, схожих со стеклом. Мы смогли однозначно показать, как именно процесс разупорядочения влияет на локальное устройство этих материалов на молекулярном уровне. И, в частности, нам удалось доказать, что эта частичная хаотичность ускоряет внутренние динамические процессы, что потенциально означает один из способов увеличения скорости проницаемости этих материалов, устройств на их основе, — подчеркнул Даниил Колоколов.
Исследование выполнено при поддержке Российского Научного Фонда (проект № 17-73-10135).
