Vekovima stara tehnika za izgradnju lučnih kamenih prozora inspirisala je novi način za formiranje prozora prilagođenih nanorazmeri u poroznim funkcionalnim materijalima koji se nazivaju metalno-organski okviri (MOF).
Metoda koristi molekularnu verziju šablona „centrirajuće oplate“ za formiranje arhitektonskog luka za usmeravanje formiranja MOF-ova sa prozorima pora unapred određenog oblika i veličine. Novi MOF dizajnirani i napravljeni na ovaj način kreću se od materijala sa uskim prozorima sa potencijalom za odvajanje gasa do struktura sa većim prozorima sa potencijalnom medicinskom primenom zbog njihovog odličnog kapaciteta adsorpcije kiseonika.
„Jedan od najizazovnijih ciljeva u dizajnu nove strukture je precizna kontrola formiranja strukture“, kaže Aleksandr Sapianik, postdoktor u grupi Mohameda Eddaudija, koji je vodio istraživanje. Za retikularnu hemiju – sastavljanje molekularnih građevinskih blokova u porozne kristalne materijale kao što su MOF – koncept oplate za centriranje može ponuditi tu preciznu kontrolu, shvatio je tim.
Polazna tačka istraživanja bila je MOF nalik zeolitu (ZMOF), koji obično ima petougaone prozore uokvirene građevinskim blokovima koji se nazivaju supertetraedri (ST). „Naš cilj je bio da kontrolišemo ST aranžman kako bi se promenio sa ove dobro poznate topologije na onu koja ranije nije bila prijavljena sa ovim građevinskim blokovima“, kaže Sapianik.
Tim je razvio agente za usmeravanje strukture za centriranje (cSDA) za kontrolu ST poravnanja i formiranje ZMOF prozora novih oblika i veličina. Jedan set cSDA, dizajniran da zategne ugao između susednih ST jedinica, stvorio je male prozore. Drugi set, dizajniran da proširi ugao između ST jedinica, dao je veće prozore.
„Veličina i zapremina MOF pora su važni parametri koji utiču na njihovu primenu“, kaže Marina Barsukova, postdoktor u Eddaudijevom timu. Jedan ZMOF sa velikim prozorima koji je tim dizajnirao, Fe-sod-ZMOF-320, pokazao je najveći kapacitet adsorpcije kiseonika od svih poznatih MOF-a.
„Ovo svojstvo je važno u medicinskoj i vazduhoplovnoj industriji, gde bi veliki kapacitet povećao skladištenje kiseonika u boci, ili omogućio manjim bocama za lakši transport“, kaže Barsukova. Isti ZMOF-i su takođe bili dobri za skladištenje metana i vodonika, koji su potencijalna goriva. Drugi ZMOF-ovi u porodici sa uskim prozorima pokazali su potencijal za odvajanje gasova molekularnih smeša.
Koncept cSDA nudi višestruke prednosti koje poboljšavaju performanse MOF-a, kaže Vincent Guillerm, naučnik u Eddaudijevoj grupi. „cSDA deli velike prozore na manje, što naši preliminarni rezultati sugerišu da će biti korisno za hemijsko razdvajanje“, kaže on. „Takođe nudi dodatnu unutrašnju površinu pora, što može pomoći da se poboljša skladištenje gasa i ojača MOF okvir, što bi trebalo da poboljša stabilnost materijala“, dodaje on.
„Pristup centriranosti koji smo razvili je još jedna moćna strategija u repertoaru retikularne hemije, koja nudi veliki potencijal za MOF napravljene po narudžbini za aplikacije u energetskoj bezbednosti i održivosti životne sredine“, kaže Eddaoudi.
