Металл-органические полимеры. Материал будущего
Из четырех известных человеку состояний материи (жидкое, твердое, газообразное и плазма) самое трудное к удержанию - это газ. Молекулы такого вещества движутся быстро и хаотично (то самое броуновское движение) и очень “не любят” ограничения. При нагревании закрытой емкости с газом возрастает давление и газ вырывается наружу, выбив крышку или разорвав баллон.
Однако есть еще одно интересное свойство газообразного вещества - оно “поверхностно”. Обеспечьте ему привлекательную внутреннюю поверхность, и оно мгновенно туда заберется. Это явление названо адсорбцией, газ накапливается на поверхности твердого тела.
Этой поверхностью могут быть внутренние стенки контейнера, и газ, находящийся там, закрепляется на стенках, - рассказывает доктор Крис Вильмер (Chris Wilmer), работающий в университете Питтсбурга на кафедре химической и нефтяной промышленности. Когда происходит адсорбция, молекулы газа перестают двигаться, натыкаться друг на друга, тем самым уменьшается давление. Таким образом, если увеличить внутреннюю поверхность баллона, то можно будет хранить больше газообразного вещества - ведь главное ограничение в давлении, при котором емкость разрушается.
Вильмер руководит Лабораторией инновационных материалов, где он и его исследовательская группа разрабатывают новые способы хранения, разделения и транспортировки газов. Недавно они опубликовали доклад о результатах своей работы в журнале “Химия материалов” (Chemistry of Materials), который издает американское химическое общество.
Основной темой их исследования являются металл-органические каркасные структуры (metal-organic frameworks, MOF), еще их называют металл-органические координационные полимеры (МОКП).
МОКП являются перспективным классом пористых материалов, изготовленных из каркасов атомов металла, связанных с органическими молекулами. Первые представители были получены менее двух десятилетий назад, и с помощью МОКП можно проектировать емкость для газа - их пористая структура имеет чрезвычайно высокую площадь поверхности, к тому же можно проектировать каркасы, которые адсорбируют лучше всего только определенные молекулы. МОКП пытаются использовать везде, где нужно взаимодействовать с газообразным веществом - при хранении, при разделении на компоненты, в задачах определения состава или наличия определенного газа, в качестве катализаторов.
В исследовании команда обнаружила, что МОКП материалы могут охлаждать еще большие объем газа в замкнутом пространстве, если объединить два типа МОКП друг с другом, “соткать” две структуры вместе. Тогда параллельные взаимопроницаемые структуры суммируют характеристики адсорбции каждого компонента.
Более эффективное хранение газа с помощью баллонов из таких материалов может привести к улучшению различных технологий. Хотя жидкое топливо остается главным источником энергии для большинства транспортных средств, однако природный и другие газы являются более дешевым сырьем. Газа больше, чем нефти и он гораздо более экологичен в переработке и использовании.
Но минусом газа является то, что баллоны для его хранения и транспортировки должны выдерживать большое давление, они тяжелы и заметно дороже обычных цистерн или баков для бензина. Специальные адсорбционные баллоны с МОКП будут гораздо более легкими, дешевыми и эффективными. Давление в такой емкости при одинаковом объеме будет в 4 раза меньше, чем сейчас. И это всего лишь одно потенциальное применение нового материала.
Медицинские баллоны с кислородом, хранилища опасных газов для полупроводниковых производств, бытовые горелки. Технологии, предназначенные для захвата углерода из воздуха, призванные бороться с парниковыми газами. Везде смогут пригодиться металл-органические координационные полимеры. Ученые считают, что МОКП будут иметь такое же значение для человечества в двадцать первом веке, как пластмассы в двадцатом.
