​Коллектив ученых из России и Германии открыл металлоорганический каркасный пористый полимер, который достаточно долго находится в промежуточном состоянии, когда одна часть пор открыта, а другая — закрыта. Такое состояние ранее считали неуловимым. Вместо пары миллисекунд кристалл пробыл в этом положении несколько дней.
 
Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Communications
 
Металлоорганические каркасы — это кристаллические пористые материалы из органических и неорганических компонентов, к примеру, из ионов металлов, связанных между собой органическими молекулами. Они представляют собой решеточную структуру, где металлы и органика, образуют «сетку». Известно несколько десятков тысяч таких комплексов, но лишь десятки из них обладают удивительным свойством — изменяют структуру своих пор в ответ на внешние раздражители (температура, газы, жидкости, электромагнитное излучение или иное механическое влияние). При этом в поры могут проникать другие молекулы, например, газа или лекарственных соединений. Управляя состоянием материала можно сначала поместить внутрь каркаса, а потом извлечь из него «гостевые молекулы». Эта особенность высокопористых каркасов позволяет использовать их для поглощения и хранения различных химических веществ, например, для тонкой очистки газов с выделением из них редких соединений. Однако для широкого использования гибких металлоорганических материалов важно разобраться, как переключать поры из открытого в закрытое положение и обратно.
 
Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» совместно с коллегами из Германии и Сибирского федерального университета обнаружили каркасный полимер, который способен находиться сразу в двух состояниях: открытом и закрытом. Ранее считалось, что кристалл закрывается практически мгновенно и может существовать только в одном из этих состояний. Однако ученые продемонстрировали, что обе фазы в некоторых кристаллах могут быть одновременно. 
 
Открытие было сделано при исследовании металлоорганического каркаса на основе никеля. Структуру одного кристалла, из которых формируется каркас, можно описать в виде колонны, состоящей из пор квадратного сечения в открытом состоянии, микроскопических размеров всего лишь в несколько нанометров. Грани этих пор образованы органическими молекулами — линкерами, которые соединены с атомами металла в вершинах каркаса.
 
Чтобы понять механизм изменения пор кристалла, ученые «давили» на них различными жидкими средами. Одной из таких жидкостей был метанол. Размер молекул спирта меньше, чем пор исследуемого материала, поэтому при взаимодействии они проходят внутрь каркаса. В результате метанол оказывает очень слабое давление на металлоорганический каркас. Для сравнения исследователи взяли среду с более крупными молекулами — силиконовое масло. Поскольку размер этих молекул превышает размер поры, они давят на каркас снаружи и переводят его из открытого в закрытое состояние. В ходе работ физики обнаружили, что в такой структуре одновременно закрываются не все поры, создавая при этом в кристалле промежуточное состояние, когда часть пор осталась открытой.
 
«Ранние исследования выполнялись в газовых средах и при давлении в десятки атмосфер. Наше проводилось в жидкой среде и при гораздо большем давлении — тысячи атмосфер. Раньше специалисты предполагали, что промежуточное состояние создается не одним кристаллом, а несколькими. Считали, что есть два разных кристаллика, которые находятся в разных фазах — закрытой и открытой. Мы рассмотрели единичный кристалл и показали, что он не только не переключается из одной фазы в другую всего лишь за пару миллисекунд, как считалось ранее, а может стабильно находиться в промежуточном состоянии от нескольких часов до нескольких суток», — поделился результатами работы старший научный сотрудник Института физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Сергеевич Крылов.
 
Исследователи отметили, что в дальнейшем планируют проверить структуры с другими конфигурациями, а также определить, почему большая часть обнаруженных металлоорганические каркасов не обладает подвижной структурой.
 
«Немецкие коллеги говорят, что до сих пор нет четкого понимания, почему одни металлоорганические кристаллы имеют гибкую конструкцию, а другие нет. Особенно занимает вопрос, почему структура перестает двигаться, если в ней меняется только металл. Например, некоторые каркасы с кобальтом и никелем в составе — подвижны, но при замене одного из металлов на медь, они перестают открываться и закрываться. Мы хотим узнать, что влияет на эту способность», — рассказывает Александр Крылов.
 
Полученные металлоорганические единичные кристаллы могут быть использованы для создания новых миниатюрных биочипов для биосенсоров, которые позволят, к примеру, определять наличие в среде какого-либо химического вещества, либо вирусов. 
 
Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН

Источники

Красноярские физики: металлорганический каркас одновременно может находиться в открытом и закрытом состоянии
Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ksc.krasn.ru), 09/09/2020
Красноярские физики: металлорганический каркас одновременно может находиться в открытом и закрытом состоянии
НИА Наука (sibscience.com), 09/09/2020
Красноярские физики: металлорганический каркас одновременно может находиться в открытом и закрытом состоянии
Наука в Сибири (sbras.info), 09/09/2020
Красноярские ученые совершили открытие в области металлоорганических каркасов
Красноярский рабочий (krasrab.ru), 09/09/2020
У металлоорганического каркаса обнаружили "неуловимое" состояние
Индикатор (indicator.ru), 09/09/2020
У металлоорганического каркаса обнаружили "неуловимое" состояние
Рамблер/новости (news.rambler.ru), 09/09/2020
Красноярские физики "зафиксировали" неуловимое состояние металлического каркаса
Открытая наука (openscience.news), 09/09/2020
Металлорганический каркас одновременно может находиться в открытом и закрытом состоянии
Научная Россия (scientificrussia.ru), 14/09/2020
Металлорганический каркас одновременно может находиться в открытом и закрытом состоянии
Российская национальная нанотехническая сеть (rusnanonet.ru), 16/09/2020
Металлорганический каркас одновременно может находиться в открытом и закрытом состоянии
Nanonewsnet.ru, 17/09/2020

Похожие новости

  • 15/06/2018

    Китай, Россия и Беларусь будут сотрудничать в сфере материаловедения и аэрокосмической техники

    ​Китай, Россия и Беларусь договорились об углублении сотрудничества в сфере материаловедения и авиатехники. Соответствующие документы были подписаны в городе Наньчан, административном центре провинции Цзянси на востоке Китая.
    983
  • 30/11/2017

    Синтез химиков и физиков

    За одной написанной химической формулой может скрываться сразу несколько различных веществ и структур. Так, оксид железа имеет ряд фаз, и только одна из них позволяет получать магнитные наночастицы для производства, например, более продуктивных жестких дисков.
    1301
  • 24/09/2020

    Сибирские ученые создали полиэтиленовый «бронежилет» для радиолокационного оборудования

    Сибирские ученые модернизировали полиэтилен при помощи ультразвука и углеродных нанотрубок. В отличие от изначального материала, полученный композит обладает высокой диэлектрической проницаемостью и большей износостойкостью.
    529
  • 20/12/2019

    Когда наука несет свет: ученые предложили производить светодиоды без редкоземельных металлов

     Международная группа учёных синтезировала и изучила соединение, которое поможет значительно удешевить производство светодиодов для получения белого света, имитирующего солнечный. Такие диоды широко применяются в освещении жилых и производственных помещений, для наружной рекламы и выращивания растений предприятиями агропромышленного комплекса.
    911
  • 29/07/2020

    Форму и свойства наночастиц можно изменять за счет благородных металлов

    ​Международный коллектив ученых создал гибридные наноструктуры из магнитных наночастиц и серебра. Меняя концентрацию благородного металла, можно получать конструкции различных форм: от эллипсов до четырех-, шести- и восьмиугольников с закругленными краями и тонкой углеродной оболочкой.
    526
  • 06/08/2020

    Из самой маленькой в мире светящейся молекулы сделали тест на клещевой энцефалит

    ​​Светящийся белок, выделенный из морского рачка Metridia longa, самый маленький из открытых биолюминесцентных ферментов, был впервые использован учеными в тестах на клещевой энцефалит. Одного миллиграмма такого белка может хватить для ста тысяч точных анализов по определению наличия вируса клещевого энцефалита.
    693
  • 26/02/2020

    Ученые ищут микрочастицы Тунгусского метеорита в озерах

    Все предположения о природе Тунгусского метеорита или Тунгусского космического тела (ТКТ), взорвавшегося и упавшего в Восточной Сибири в 1908 г. до сих пор остаются только гипотезами. Ученые Института ядерной физики им.
    720
  • 17/07/2020

    СО РАН направляет в Арктику большую норильскую экспедицию

    ​​Группа ученых из Российской академии наук всесторонне изучит экологическую среду территории и представит предложения и рекомендации по наилучшим природосберегающим решениям для деятельности промышленных компаний в Арктическом регионе.
    1304
  • 15/12/2017

    Химики создали новый класс люминофоров для электронной промышленности

    ​Международный коллектив химиков из Китая, России и Японии синтезировал новое кристаллическое вещество на основе оксидов редкоземельных металлов, а также описал его структуру и свойства. Расшифровка рентгенограммы нового соединение установила, что он относится к новому, ранее неизвестному классу.
    1717
  • 23/09/2019

    Учёные изучили неожиданные свойства разупорядоченных нанорешёток

    Учёные Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), Федерального Сибирского научно-клинического центра ФМБА России (Красноярск), Института физики им.
    761