Μια στρατηγική υαλουργίας αιώνων βοήθησε τους ερευνητές να ξεκλειδώσουν νέους τρόπους σχεδιασμού των φουτουριστικών υαλωδών MOF, με πολλά υποσχόμενες εφαρμογές στην αποθήκευση αερίων και στα προηγμένα υλικά.
Οι επιστήμονες εφάρμοσαν μια χημική προσέγγιση αιώνων για να βελτιώσουν μια νέα κατηγορία γυαλιού που κατασκευάζεται από μεταλλοοργανικά πλαίσια (MOFs) – υλικά που δομούνται από άτομα μετάλλων συνδεδεμένα με οργανικά μόρια. Αυτά τα υαλώδη υλικά μπορούν να παγιδεύσουν αέρια, όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) και το υδρογόνο, ενώ μπορούν επίσης να απορροφήσουν νερό.
Η διεθνής ερευνητική ομάδα, στην οποία συμμετείχαν επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο TU Dortmund και το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ, δημοσίευσε τα ευρήματά της στο περιοδικό Nature Chemistry.
Η μελέτη δείχνει ότι τα υαλώδη MOF μπορούν να τροποποιηθούν και να σχεδιαστούν με μεθόδους παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται για το συμβατικό γυαλί. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η προσθήκη μικρών χημικών ενώσεων που περιέχουν νάτριο ή λίθιο μεταβάλλει τόσο τη δομή όσο και τις ιδιότητες του υλικού.
Αυτά τα πρόσθετα μειώνουν τη θερμοκρασία στην οποία το γυαλί μαλακώνει και βελτιώνουν την ευκολία με την οποία ρέει όταν θερμαίνεται, απλοποιώντας ενδεχομένως τη διαδικασία παραγωγής.
Τα αποτελέσματα αυτά καθιερώνουν μια νέα στρατηγική για τον σχεδιασμό εξατομικευμένων υαλωδών MOF για προηγμένες τεχνολογίες. Οι πιθανές χρήσεις περιλαμβάνουν τον διαχωρισμό αερίων, τη χημική αποθήκευση και τις εξειδικευμένες επιστρώσεις.
Μείωση των θερμοκρασιών επεξεργασίας
Ο Δρ. Dominik Kubicki από το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ δήλωσε: «Το γυαλί αποτελεί μέρος του ανθρώπινου πολιτισμού εδώ και χιλιετίες. Από την αρχαία Μεσοποταμία μέχρι τα σύγχρονα καλώδια οπτικών ινών, οι μικρές ποσότητες χημικών τροποποιητών καθιστούν ευκολότερη την επεξεργασία του γυαλιού και αλλάζουν τις λειτουργικές του ιδιότητες».
Ωστόσο, τα υαλώδη MOF μαλακώνουν μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες –άνω των 300 °C (572 °F)– κοντά στη θερμοκρασία αποδόμησής τους, γεγονός που καθιστά την παραγωγή τους δύσκολη και περιορίζει την ευρύτερη χρήση τους.
Αυτή η ανακάλυψη ξεκλειδώνει νέες δυνατότητες για τα μελλοντικά υλικά υψηλής απόδοσης. Ένα από τα πιο γνωστά υαλώδη MOF είναι το ZIF-62, ένα πορώδες υλικό που μπορεί να τηχθεί και να ψυχθεί σε γυαλί, διατηρώντας παράλληλα ένα μέρος του εσωτερικού του πορώδους.
Αυτό το χαρακτηριστικό το καθιστά πολλά υποσχόμενο για τον διαχωρισμό αερίων, τις μεμβράνες και την κατάλυση.
Ο καθηγητής Sebastian Henke από το Πανεπιστήμιο TU Dortmund δήλωσε: «Η προσέγγισή μας είναι εμπνευσμένη από τον τρόπο με τον οποίο τροποποιούνται τα συμβατικά πυριτικά γυαλιά: διαταράσσοντας τη δομή του δικτύου για να ρυθμίσουμε τη συμπεριφορά τήξης και τις μηχανικές ιδιότητες. Η μελέτη μας δείχνει ότι η ίδια αρχή μπορεί να μεταφερθεί και στα υβριδικά μεταλλοοργανικά γυαλιά. Αυτή η πρόοδος φέρνει τα υαλώδη MOF ένα βήμα πιο κοντά στην πραγματική βιομηχανική παραγωγή και στις εφαρμογές στον διαχωρισμό αερίων, την αποθήκευση, την κατάλυση και όχι μόνο».
Για να κατανοήσουν πώς τα πρόσθετα νατρίου αλλάζουν την εσωτερική δομή του γυαλιού, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προηγμένες μεθόδους χαρακτηρισμού.
Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ, υπό την καθοδήγηση των Δρ. Dominik Kubicki και Benjamin Gallant, πραγματοποίησαν μελέτες σε ατομικό επίπεδο για το τροποποιημένο υλικό.
Η ομάδα διεξήγαγε επίσης πειράματα φασματοσκοπίας Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) στερεάς κατάστασης σε υψηλές θερμοκρασίες, στις εγκαταστάσεις του UK High-Field Solid-State NMR Facility. Αυτά τα πειράματα έδειξαν πώς τα ιόντα νατρίου ενσωματώνονται στο δίκτυο του γυαλιού και διαταράσσουν τους δεσμούς του.
Αποκαλύπτοντας τη δομή του γυαλιού
Μια άλλη ομάδα από το Μπέρμιγχαμ, υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Andrew Morris και του Δρ. Mario Ongkiko, χρησιμοποίησε υπολογιστικά μοντέλα βασισμένα σε τεχνητή νοημοσύνη (AI) για να αναλύσει τα πολύπλοκα δεδομένα του NMR.
Οι προσομοιώσεις με τη βοήθεια μηχανικής μάθησης αποκάλυψαν πώς το νάτριο αλληλεπιδρά με τη δομή του γυαλιού και επιβεβαίωσαν τα πειραματικά ευρήματα. Τα συνδυαστικά αποτελέσματα έδειξαν ότι το νάτριο κάνει κάτι περισσότερο από το να καταλαμβάνει απλώς τους κενούς χώρους στο εσωτερικό του υλικού.
Μπορεί να αντικαταστήσει ορισμένα άτομα ψευδαργύρου, χαλαρώνοντας ελαφρώς τη δομή και μεταβάλλοντας τη συμπεριφορά του υλικού. Οι ερευνητές αναφέρουν ότι απαιτείται περαιτέρω εργασία για τη βελτίωση της σταθερότητας αυτών των υαλωδών υλικών, την καλύτερη πρόβλεψη των ιδιοτήτων τους και την αξιολόγηση της απόδοσής τους σε πρακτικές τεχνολογίες.