Nye kuldioxid-adsorberende krystaller til biomedicinske materialer, der er afhængige af formhukommelseseffekt

Kyoto University-forskere er et skridt tættere på at designe porøse materialer, der kan ændre og bevare deres former - en funktion kendt som formhukommelseseffekt.

Formhukommelsesmaterialer har anvendelser på mange områder. For eksempel, de kunne implanteres i kroppen og derefter få dem til at ændre form for en bestemt funktion, såsom at tjene som stillads for knoglevævsregenerering. Formhukommelseseffekten er veldokumenteret i nogle materialer, herunder keramik og metallegeringer. Men det er sjældent og dårligt forstået i krystallinske porøse materialer.

Nu, Susumu Kitagawa fra Kyoto University's Institute for Integrated Cell-Material Sciences og kolleger i Japan, Irland og USA har demonstreret en formhukommelseseffekt i et fleksibelt metalorganisk materiale - kun den anden sådan observation nogensinde rapporteret. De beskriver deres resultater i journalen Videnskabens fremskridt .

Krystaller blev fremstillet ved at opløse en blanding af kemikalier og zinknitrathexahydrat i et almindeligt opløsningsmiddel kaldet dimethylformamid ved 120°C i 24 timer. Ved at bruge en røntgenteknik kaldet single-crystal røntgendiffraktion, holdet studerede krystallernes struktur. De fandt ud af, at de var dannet af let forvrænget skovlhjulsformede gitter, som var lavet af centrale zinkioner knyttet til omgivende organiske molekyler. Denne 'alfafase' af krystallen havde 46 procent porøsitet, hvilket betyder, at 46 procent af dens volumen var tilgængelig til at acceptere nye molekyler; egenskaben, der gør porøse materialer velegnede til en række forskellige anvendelser.

Da holdet opvarmede alfakrystallen ved 130°C i et vakuum i 12 timer, krystallen blev mere tæt, dens gitter blev mere forvrænget, og dens porøsitet blev reduceret til kun 15 procent. De kaldte denne fase af krystallen dens betafase.

De tilsatte derefter kuldioxid til krystallen ved en temperatur på -78°C. Kuldioxid blev adsorberet i krystallens porer, og krystallens form ændrede sig til mindre forvrængede gitter end dem i betafasen. Det tilgængelige volumen til at acceptere gæstemolekyler steg til 34 procent. Da holdet tilføjede og fjernede kuldioxid fra krystallen over ti på hinanden følgende cyklusser, de fandt ud af, at den beholdt sin form. De kaldte denne fase af krystallen dens 'form-hukommelse' gamma-fase.

Tilsætning af nitrogen eller carbonmonoxid under varierende temperaturer inducerede også transformationen af ​​krystallen fra dens beta- til dens gamma-fase.

Holdet var i stand til at vende krystallens gammafase tilbage til dens betafase ved at opvarme den til 130°C i et vakuum i to timer. For at vende tilbage til alfafasen, gammafasen af ​​krystallen blev gennemvædet i dimethylformamid i fem minutter.

Holdets analyser af krystallen gjorde det muligt for dem at få en bedre forståelse af, hvordan dens funktion ændrer sig sammen med strukturen. Forskerne bemærker, at deres arbejde kunne danne grundlag for at designe flere eksempler på porøse materialer med formhukommelse.