Гибкая молекулярная решетка для захвата и упаковки металлов

Источник: phys.org

Многие отрасли промышленности испытывают потребность в материалах, способных выборочно извлекать металлы из жидкости. Создание таких соединений позволило бы восстанавливать уран из морской воды, превращать отходы гальванических реакций в новое сырье и т. д. Исследователи из Тихоокеанской Северо-западной национальной лаборатории (США) разработали металлоорганическую структуру (MOF) на основе цинка. Она обладает гибкой решеткой и отрицательным зарядом. Решетка способна захватывать положительно заряженные ионы металла за счет расширения и перемещения определенных молекулярных связей. Во время первого эксперимента молекулы MOF были помещены в раствор, содержащий катионы кобальта (атомы кобальта, лишенные двух электронов). Раствор быстро приобрел фиолетовый цвет. На основании этого был сделан вывод, что MOF захватил кобальт.

Аналогичный опыт был проведен с ионами меди, с тем же результатом. Процесс поглощения отслеживался при помощи ультрафиолетовой спектроскопии. Испытания с другими комбинациями ионов показали, что MOF предпочитает захватывать двухвалентные ионы металлов, следующих за щелочной группой (натрий и литий). Рентгеновская дифракционная спектрометрия монокристаллов показала, что после захвата металлов объем структуры вырос на 33%. Получив положительно заряженные ионы, молекулы сменили свой заряд с отрицательного на нейтральный. В отличие от большинства MOF, новая структура одинаково легко формирует и разрывает связи с заряженными частицами металлов, которые она захватила. При этом она работает как твердое тело, что тоже необычно.

И еще одно преимущество нового типа MOF – молекулы можно изучать и в тот момент, когда они не содержат металлов. Как правило, когда «гостевые» компоненты удаляются из металлорганических соединений, содержащие их поры разрушаются, и их невозможно измерить. В данном случае поры остаются целыми. Ученым удалось проанализировать поры, определить, каким образом ионы металлов в них ориентируются, как они связываются с другими компонентами системы и какие изменения в структуре происходят, когда металлы удаляются. Как заявил руководитель проекта доктор Правин Талапалли, материал обладает большим потенциалом. В настоящее время команда ученых изучает, как гибкие анионные MOF формируются, и какое количество ионов каждого металла можно в них упаковать.