Старинный трюк стеклодувов помог создать новое стекло для улавливания CO2 и водорода

Старинный стеклодувный трюк может помочь превратить футуристические MOF-стекла в реальные высокопроизводительные материалы. Кредит: AI/ScienceDaily.com

Ученые адаптировали химическую технику, используемую в традиционном стеклоделии, для улучшения футуристического материала, известного как стекло из металлоорганических каркасов (MOF). Эти материалы состоят из атомов металлов, соединенных органическими молекулами, и ценятся за их способность улавливать такие газы, как углекислый газ и водород, а также извлекать воду.

Международная исследовательская группа, в которую вошли ученые из Дортмундского технического университета и Бирмингемского университета, опубликовала результаты в журнале Nature Chemistry 4 мая. Их работа показывает, что MOF-стекла можно настраивать и модифицировать с помощью методов, аналогичных тем, что давно используются для обычного стекла.

Исследователи обнаружили, что введение небольших химических соединений, содержащих натрий или литий, изменяет как структуру, так и поведение материала. Добавки снижают температуру размягчения стекла и делают его более текучим при нагреве, что может упростить производство.

Это открытие создает новую основу для разработки индивидуальных MOF-стекол для передовых технологий. Потенциальные области применения включают разделение газов, хранение химических веществ, современные покрытия и системы чистой энергетики.

Доктор Доминик Кубицки из Бирмингемского университета заявил: «Стекло является частью человеческой цивилизации на протяжении тысячелетий. От древней Месопотамии до современных оптоволоконных кабелей небольшие количества химических модификаторов облегчают обработку стекла и изменяют его функциональные свойства.

«Однако MOF-стекла размягчаются только при высоких температурах — выше 300 °C — близких к температуре их разложения, что затрудняет производство и ограничивает более широкое применение. Это открытие открывает новые возможности для будущих высокопроизводительных материалов».

Профессор Себастьян Хенке из Дортмундского технического университета пояснил: «Наш подход вдохновлен тем, как модифицировались обычные силикатные стекла: разрушением сетчатой структуры для настройки плавления и механических свойств.

«Наше исследование показывает, что тот же принцип может быть перенесен на гибридные металлоорганические стекла. Этот прогресс приближает MOF-стекла на шаг к реальному производству и применению в разделении газов, хранении, катализе и других областях».

Чтобы понять, как именно добавки натрия изменяют материал, исследователи использовали передовые методы анализа. Ученые из Бирмингемского университета под руководством докторов Доминика Кубицки и Бенджамина Галланта провели исследования модифицированной структуры стекла на атомном уровне и эксперименты по высокотемпературной твердотельной спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на объекте UK High-Field Solid-State NMR Facility.

Их работа показала, как ионы натрия встраиваются в стеклянную сетку и ослабляют некоторые связи внутри структуры.

Другая команда из Бирмингема под руководством профессора Эндрю Морриса и доктора Марио Онгкико использовала вычислительное моделирование на основе ИИ для интерпретации сложных данных ЯМР. Симуляции с помощью машинного обучения показали, как натрий взаимодействует со стеклом на атомном уровне, подтвердив экспериментальные результаты.

Совокупные экспериментальные и вычислительные данные показали, что натрий не просто занимает пустые пространства внутри материала. Вместо этого некоторые атомы натрия замещают атомы цинка, слегка ослабляя структуру стекла и изменяя его свойства.

Теперь, когда ученые лучше понимают, как модифицировать эти материалы, исследователи отмечают, что необходима дополнительная работа для повышения их стабильности, более точного прогнозирования поведения и оценки их эффективности в реальных технологиях.

В исследовании приняли участие ученые из Дортмундского технического университета, Бирмингемского университета, Рурского университета в Бохуме, SRM University-AP, Мюнхенского технического университета и Кембриджского университета.