Учёные применили химический приём из традиционного стеклоделия, чтобы усовершенствовать футуристический материал — стекло на основе металл-органических каркасов (MOF-стекло). Эти материалы обладают упорядоченной пористой структурой с порами размером от 0,5 до 2 нанометров, которые действуют как «молекулярные сита». Молекулы CO₂, являющиеся полярными и имеющими линейную форму, а также молекулы H₂ диаметром около 0,3 нм захватываются за счёт слабых химических взаимодействий — водородных связей, диполь-дипольных сил и π-π-стекинга с ароматическими группами каркаса, а также путём физической адсорбции в порах. Дополнительно некоторые MOF содержат открытые металлические центры, например ионы цинка или меди, которые могут связывать CO₂ через координационные связи.
Международная команда исследователей из Технического университета Дортмунда и Бирмингемского университета опубликовала свои выводы в журнале Nature Chemistry. Работа показала, что MOF-стёкла можно настраивать и обрабатывать методами, которые человечество использует для обычного стекла уже тысячи лет — со времён Древней Месопотамии до современных оптоволоконных кабелей. Помимо добавления натрия, в современном материаловедении активно заимствуются и другие древние рецептуры, такие как введение оксида свинца (до 60% массы) для создания хрусталя с высоким показателем преломления, используемого в оптике и сцинтилляторах, а также использование калия из древесной золы для получения более тугоплавкого «лесного стекла», применяемого в лабораторной посуде и химически стойких приборах.
Ключевое открытие: добавление крошечных количеств соединений натрия или лития меняет структуру материала и его поведение. Эти добавки снижают температуру размягчения стекла и делают его более текучим при нагреве, что значительно упрощает производство. Раньше MOF-стёкла размягчались только при температурах выше 300°C — вблизи точки разрушения материала, что делало их изготовление крайне сложным.
Учёные из Бирмингема применили передовые методы анализа, включая ядерный магнитный резонанс (ЯМР) при высоких температурах и моделирование с помощью искусственного интеллекта. AI-расчёты показали, что атомы натрия не просто заполняют пустоты в материале, а частично замещают атомы цинка, ослабляя стеклянную сетку и изменяя её свойства на атомном уровне.
Теперь, когда механизм модификации понятен, исследователи планируют улучшить стабильность материала, точнее прогнозировать его поведение и испытать в реальных технологиях. Потенциальные применения включают разделение газов, хранение химикатов, передовые покрытия и системы чистой энергетики — от улавливания CO₂ до водородной энергетики.
Источник: Ancient chemistry trick unlocks new type of glass that traps CO2 and hydrogen