Οι επιστήμονες προσάρμοσαν μια τεχνική χημείας που χρησιμοποιείται στην παραδοσιακή κατασκευή γυαλιού για να αναπτύξουν ένα φουτουριστικό υλικό γνωστό ως γυαλί μεταλλικού-οργανικού πλαισίου (MOF). Αυτά τα υλικά είναι κατασκευασμένα από άτομα μετάλλων που συνδέονται με οργανικά μόρια και εκτιμώνται για την ικανότητά τους να παγιδεύουν αέρια όπως το διοξείδιο του άνθρακα και το υδρογόνο, ακόμη και να δεσμεύουν νερό.
Τα ευρήματα αναφέρθηκαν από μια διεθνή ερευνητική ομάδα που περιλαμβάνει επιστήμονες από το TU Dortmund και το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ. Η φύση είναι χημεία 4 Μαΐου. Η εργασία τους δείχνει ότι τα γυαλιά MOF μπορούν να ρυθμιστούν και να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας μεθόδους παρόμοιες με εκείνες που χρησιμοποιούνται εδώ και καιρό για το συμβατικό γυαλί.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η εισαγωγή μικρών χημικών ενώσεων που περιέχουν νάτριο ή λίθιο άλλαξε τόσο τη δομή όσο και τη συμπεριφορά του υλικού. Τα πρόσθετα μειώνουν τη θερμοκρασία μαλακώματος του γυαλιού και το κάνουν να ρέει πιο εύκολα όταν θερμαίνεται, γεγονός που μπορεί να απλοποιήσει την κατασκευή.
Η ανακάλυψη δημιουργεί ένα νέο πλαίσιο για το σχεδιασμό προσαρμοσμένων γυαλιών MOF για προηγμένες τεχνολογίες. Οι πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν διαχωρισμό αερίων, αποθήκευση χημικών, προηγμένες επικαλύψεις και συστήματα καθαρής ενέργειας.
Δρ. από το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ. Ο Dominik Kubicki λέει: “Το γυαλί ήταν μέρος του ανθρώπινου πολιτισμού για χιλιετίες. Από την αρχαία Μεσοποταμία έως τα σύγχρονα καλώδια οπτικών ινών, μικρές ποσότητες χημικών τροποποιητών κάνουν το γυαλί εύκολο στην επεξεργασία και αλλάζουν τις λειτουργικές του ιδιότητες.
“Ωστόσο, τα γυαλιά MOF μαλακώνουν μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες — πάνω από 300 °C — κοντά στη θερμοκρασία αποδόμησής τους, γεγονός που καθιστά την κατασκευή δύσκολη και περιορίζει την ευρύτερη χρήση. Αυτή η ανακάλυψη ανοίγει νέες δυνατότητες για μελλοντικά υλικά υψηλής απόδοσης.”
Το Sodium MOF αλλάζει τη δομή του γυαλιού
Ένα από τα πιο γνωστά γυαλιά MOF είναι το ZIF-62, ένα πορώδες υλικό που μπορεί να λιώσει και να ψυχθεί σε ένα ποτήρι, ενώ εξακολουθεί να αφήνει μερικούς από τους εσωτερικούς πόρους του. Αυτοί οι πόροι το καθιστούν χρήσιμο για εφαρμογές όπως ο διαχωρισμός αερίων, οι μεμβράνες και η κατάλυση.
Ο καθηγητής Sebastian Heinke του Πανεπιστημίου TU Dortmund εξηγεί: «Η προσέγγισή μας είναι εμπνευσμένη από τον τρόπο με τον οποίο τροποποιούνται τα συμβατικά πυριτικά γυαλιά: διαταραχή της δομής του δικτύου για την ακριβή ρύθμιση της συμπεριφοράς τήξης και των μηχανικών ιδιοτήτων.
“Η έρευνά μας δείχνει ότι οι ίδιες αρχές μπορούν να μεταφερθούν σε υβριδικά γυαλιά μετάλλου-οργανικού. Αυτή η πρόοδος φέρνει τα γυαλιά MOF ένα βήμα πιο κοντά στην πραγματική παραγωγή και τις εφαρμογές στον διαχωρισμό αερίων, την αποθήκευση, την κατάλυση και όχι μόνο.”
Για να κατανοήσουν πώς τα πρόσθετα νατρίου άλλαξαν το υλικό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προηγμένες τεχνικές ανάλυσης. Με επικεφαλής τους επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Μπέρμιγχαμ. Ο Dominic Kubicki και ο Benjamin Gallant, πραγματοποίησαν μελέτες ατομικού επιπέδου τροποποιημένων δομών γυαλιού και πειραμάτων φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού υψηλής θερμοκρασίας στερεάς κατάστασης (NMR) στη μονάδα NMR στερεάς κατάστασης υψηλού πεδίου του Ηνωμένου Βασιλείου.
Η εργασία τους αποκαλύπτει πώς τα ιόντα νατρίου συσσωματώνονται στο γυάλινο δίκτυο και αποδυναμώνουν ορισμένες συνδέσεις μέσα στη δομή.
Η μοντελοποίηση AI αποκαλύπτει αλλαγές σε ατομικό επίπεδο
Μια άλλη ομάδα του Μπέρμιγχαμ, με επικεφαλής τον καθηγητή Andrew Morris και τον Dr Mario Ongiko, χρησιμοποίησε υπολογιστική μοντελοποίηση με τεχνητή νοημοσύνη για να βοηθήσει στην ερμηνεία πολύπλοκων δεδομένων NMR. Οι προσομοιώσεις με τη βοήθεια μηχανικής μάθησης έδειξαν πώς το νάτριο αλληλεπιδρά με το γυαλί σε ατομικό επίπεδο, επιβεβαιώνοντας τα πειραματικά αποτελέσματα.
Τα συνδυασμένα πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα έδειξαν ότι το νάτριο κάνει περισσότερα από το να καταλαμβάνει απλώς κενό χώρο μέσα στο υλικό. Αντίθετα, ορισμένα άτομα νατρίου αντικαθιστούν τα άτομα ψευδαργύρου, χαλαρώνοντας κάπως τη δομή του γυαλιού και αλλάζοντας τις ιδιότητές του.
Τώρα που οι επιστήμονες κατανοούν καλύτερα τον τρόπο τροποποίησης αυτών των υλικών, οι ερευνητές λένε ότι απαιτείται πρόσθετη εργασία για τη βελτίωση της σταθερότητάς τους, την ακριβέστερη πρόβλεψη της συμπεριφοράς τους και την αξιολόγηση της απόδοσής τους σε τεχνολογίες πραγματικού κόσμου.
Στη μελέτη συμμετείχαν ερευνητές από το Technische Universität Dortmund, το Πανεπιστήμιο του Birmingham, το Ruhr-Universität Bochum, το SRM University-AP, το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου και το Πανεπιστήμιο του Cambridge.
