Ученые переосмыслили многовековой принцип химии для создания стекла нового поколения

Ученые адаптировали многовековой принцип химии для точной настройки нового типа стекла, изготовленного из металлорганических каркасов, известных как MOF, которые эффективно улавливают такие газы, как CO₂ и водород, а также могут захватывать воду. MOF представляют собой структуры, состоящие из атомов металлов, соединенных органическими молекулами.

Международная исследовательская группа, включающая ученых из Дортмундского технического университета и Бирмингемского университета, опубликовала 4 мая в журнале Nature Chemistry результаты своей работы, которые показывают, что стекла MOF могут быть настроены и изменены инженерными методами так же, как и традиционные стекла.

Исследователи обнаружили, что добавление в стекло небольших химических соединений, содержащих натрий или литий, изменяет его поведение и структуру. Эти химические вещества снижают температуру размягчения стекла и изменяют то, насколько легко оно течет при нагревании, что значительно упрощает производство. Это открытие предоставляет новую методологию для создания специализированных стекол MOF для передовых технологических приложений. Данный процесс может открыть новые возможности для высокоэффективных материалов, используемых в разделении газов, химическом хранении и современных покрытиях.

Доктор Доминик Кубицки из Бирмингемского университета пояснил, что стекло было частью человеческой цивилизации на протяжении тысячелетий, и с древней Месопотамии до современных оптоволоконных кабелей небольшие количества химических модификаторов облегчали обработку стекла и изменяли его функциональные свойства. Однако стекла MOF размягчаются только при высоких температурах — выше 300 градусов Цельсия, что близко к температуре их разрушения, что делает производство сложным и ограничивает их широкое использование. По словам ученого, это открытие открывает новые возможности для создания высокоэффективных материалов в будущем.

Одним из самых известных примеров стекла MOF является ZIF-62 — пористый материал, который можно расплавить и охладить до стеклообразного состояния, сохранив при этом часть внутренней пористости, что делает его привлекательным для применения в газоразделении, мембранах и катализе. Профессор Себастьян Хенке из Дортмундского технического университета отметил, что их подход вдохновлен тем, как модифицировались обычные силикатные стекла, а именно — нарушением структуры сетки для настройки свойств плавления и механических характеристик. Исследование показывает, что тот же принцип может быть перенесен на гибридные металлоорганические стекла, что приближает стекла MOF к реальному производству и применению в разделении газов, хранении, катализе и других областях.

Понимание того, как добавки натрия изменяют внутреннюю структуру стекла, потребовало передовых методов характеризации. Исследователи Бирмингемского университета под руководством докторов Доминика Кубицки и Бенджамина Галланта предоставили важнейший атомно-уровневый анализ модифицированной структуры стекла, а также провели эксперименты по высокотемпературной спектроскопии ядерного магнитного резонанса твердого тела на объекте UK High-Field Solid-State NMR Facility. Эта работа позволила команде точно понять, как ионы натрия встраиваются в стеклянную сетку и как они нарушают её связность.

Исследователи из Бирмингема под руководством профессора Эндрю Морриса и доктора Марио Онгкико использовали вычислительное моделирование на основе искусственного интеллекта для интерпретации сложных данных, полученных методом ядерного магнитного резонанса. Моделирование с помощью машинного обучения показало, как натрий взаимодействует со структурой стекла, что стало критически важным подтверждением экспериментальных наблюдений. Экспериментальные и вычислительные данные показали, что натрий не просто заполняет пустоты, а занимает место некоторых атомов цинка, что осторожно ослабляет структуру.

Теперь, когда ученые знают, как эффективно настраивать эти стекла, исследование рекомендует провести дополнительные работы, чтобы узнать, как сделать материалы более стабильными, лучше прогнозировать их поведение и проверить, насколько они полезны в реальных технологиях.