Разгадана 80-летняя тайна: ученые раскрыли кристаллическую структуру гидрата бромида

Хотя ранее не сообщалось о заполнении додекаэдрических клеток TBAB, было обнаружено, что их использование позволяет достичь более высокой плотности упаковки TBAB. Автор: Yokohama National University

Ученые разгадали загадку, которая ставила в тупик исследователей на протяжении 80 лет: кристаллическую структуру гидрата тетра-н-бутиламмония бромида (TBAB) TBAB·26H₂O. Это вещество относится к классу кристаллических материалов, называемых полуклатратными гидратами, которые образуются при соединении ионов и воды.

С момента своего открытия в 1940 году этот гидрат TBAB широко использовался в различных областях, включая системы кондиционирования воздуха. Понимание кристаллической структуры этого важного полуклатратного гидрата поможет ученым и инженерам более эффективно использовать TBAB.

Результаты исследования были опубликованы 17 июля в журнале Crystal Growth & Design.

«В течение 80 лет кристаллическая структура широко используемого гидрата TBAB (TBAB·26H₂O) оставалась неразгаданной, несмотря на его важность для систем хранения тепловой энергии. Эта структурная неопределенность мешала как научному пониманию, так и практической оптимизации материала. Наша цель состояла в том, чтобы окончательно определить структуру с помощью синхротронного излучения и прояснить молекулярное расположение», — пояснил Санехиро Муромачи, доцент Йокогамского национального университета, и Хиронобу Мачида, главный инженер корпорации Panasonic.

Водные функциональные материалы — включая гидрогели, водные полимеры, жидкие кристаллы и клатратные гидраты — используют уникальные свойства воды и применяются в различных промышленных процессах. Вода — это доступный и устойчивый ресурс, что делает такие материалы важной частью экологичных технологий. TBAB·26H₂O — это полуклатратный гидрат, способный хранить холод при температурах, подходящих для систем кондиционирования. Он состоит из молекулы TBAB, окруженной водородными связями молекул воды.

Хотя структуры других полуклатратных гидратов с молекулой TBAB уже были изучены, кристаллическая структура TBAB·26H₂O оставалась загадкой, несмотря на широкое применение. Предыдущие исследования предполагали тетрагональную решетку, но это не объясняло все свойства вещества.

Ученые использовали синхротронное излучение на установке SPring-8 в Японии. В результате было обнаружено, что структура гидрата TBAB относится к типу III по Джеффри, но с уникальными особенностями. Она имеет тот же состав, что и другой полуклатратный гидрат TBA(NO₃), но отличается более плотной кристаллической упаковкой.

«Мы впервые определили кристаллическую структуру TBAB·26H₂O, обнаружив уникальную тетрагональную суперструктуру, которая размещает катион TBA в новой конфигурации клетки», — отметил Муромачи.

«Эта структура объясняет тепловые свойства материала и дает новые принципы проектирования функциональных материалов на основе гидратов. Понимание этой структуры открывает путь к созданию более эффективных систем хранения тепла», — добавил Мачида.

В дальнейшем исследователи планируют использовать полученные знания для разработки новых водных материалов, которые могут применяться в энергоэффективных технологиях, таких как кондиционирование, разделение газов и улавливание углерода.

В исследовании также участвовали Нобухиро Ясуда и Хироясу Масунага из Японского института синхротронного излучения (JASRI), Такеши Сугахара из Университета Осаки и Хиронобу Мачида из Panasonic.

Дополнительная информация: Solving the 80-Year Structure Mystery: Definitive Crystal Structure of TBAB Hydrate Resolved with Synchrotron Radiation, Crystal Growth & Design (2025). DOI: 10.1021/acs.cgd.5c00364

Источник: Yokohama National University