Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Kemi

Indfanger den overraskende fleksibilitet af krystaloverflader

Holdet observerede, at PCP-overfladen fluktuerede fleksibelt. Kredit:Izumi Mindy Takamiya

Billeder taget ved hjælp af et atomkraftmikroskop har gjort det muligt for forskere at observere, for første gang, de fleksible og dynamiske ændringer, der sker på overfladerne af 'porøse koordinationspolymer'-krystaller, når gæstemolekyler introduceres. Fundene, offentliggjort i tidsskriftet Naturkemi , har betydning for undersøgelser af materialer, der kan bruges til lagring og sansning af molekyler.

"Vi var overraskede over at opdage, at den porøse koordinationspolymeroverflade er usædvanlig fleksibel og konstant svingende i opløsning, " siger Nobuhiko Hosono fra Kyoto University's Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS), "i modsætning til den gængse opfattelse af, at krystallen er hård og ubevægelig."

Porøse koordinationspolymerer er krystallinske materialer, der dannes ved selvsamling af metalioner og organiske bindende molekyler kaldet ligander. De bliver i øjeblikket undersøgt af materialeforskere på grund af deres evne til at ændre deres struktur, når andre molekyler introduceres til dem, eller når de udsættes for visse eksterne stimuli, uden at miste deres krystallinitet. Denne egenskab gør dem attraktive til at udvikle enheder, der selektivt kan adsorbere gasmolekyler og dermed filtrere eller opbevare dem, såsom at lagre brint til energi.

Selvom forskerne er klar over, at nogle krystallinske strukturer ændrer sig, når de udsættes for visse molekyler, de havde endnu ikke været i stand til at observere disse ændringer i realtid. At se, hvad der rent faktisk sker, kan yderligere undersøgelser af kontrol med disse materialer.

iCeMS forskere, herunder Nobuhiko Hosono og Susumu Kitagawa, brugte atomkraftmikroskopi til at observere de ændringer, der skete på overfladen af ​​en enkeltkrystallinsk porøs koordinationspolymer, lavet af zinkklynger og to typer ligander, da biphenyl-gæstemolekyler blev introduceret.

Atomkraftmikroskopet er dannet af en lille sonde for enden af ​​en cantilever. Sondens bevægelser over overfladen af ​​et materiale registreres, giver et billede af materialets topografi.

Overfladen af ​​koordinationspolymerkrystallen blev først undersøgt i opløsning under stabile betingelser. De metalorganiske gitter på overfladen var tetragonale i form. En biphenylopløsning blev derefter tilsat til krystallen med en gradvist stigende koncentration. Billeder blev taget hvert 13. sekund. Holdet fandt ud af, at gitterne ændrede sig til en rombisk form inden for ti minutter, da biphenylkoncentrationen nåede et maksimum på 500 millimol/liter opløsning på grund af molekylets kombination med den krystallinske overflade. Nedsættelse af koncentrationen førte til fjernelse af biphenyl fra materialets overflade og en hurtig tilbagevenden af ​​gitterets tetragonale former.

Yderligere undersøgelser viste, at overfladeændringerne knap påvirkede resten af ​​krystallens struktur.

Den meget lydhøre karakter af den porøse koordinationspolymeroverflade, fanget meget detaljeret, giver indsigt, der kan hjælpe med at guide responsiv materialeudvikling, skriver forskerne i deres papir.


Varme artikler