Hvordan en krystallinsk svamp udskiller vandmolekyler

Hvordan forlader vand en svamp?

I en ny undersøgelse, forskere besvarer dette spørgsmål detaljeret for en porøs, krystallinsk materiale fremstillet af metal og organiske byggesten – specifikt, kobolt(II)sulfatheptahydrat, 5-aminoisophthalsyre og 4, 4'-bipyridin.

Ved at bruge avancerede teknikker, forskere undersøgte, hvordan denne krystallinske svamp ændrede form, da den gik fra en hydreret tilstand til en dehydreret tilstand. Observationerne var udførlige, giver teamet mulighed for at "se", hvornår og hvordan tre individuelle vandmolekyler forlod materialet, da det tørrede ud.

Krystallinske svampe af denne art tilhører en klasse af materialer kaldet metal-organiske rammer (MOF'er), som rummer potentiale for anvendelser såsom at fange forurenende stoffer eller opbevare brændstof ved lavt tryk.

"Dette var en rigtig dejlig detaljeret eksempel på brug af dynamisk in-situ røntgendiffraktion til at studere transformationen af ​​en MOF-krystal, " siger Jason Benedict, Ph.D., lektor i kemi ved universitetet ved Buffalo College of Arts and Sciences. "Vi starter en reaktion - en dehydrering. Så overvåger vi den med røntgenstråler, løsning af krystalstrukturer, og vi kan faktisk se, hvordan dette materiale forvandler sig fra den fuldt hydrerede fase til den fuldt dehydrerede fase.

"I dette tilfælde, den hydrerede krystal indeholder tre uafhængige vandmolekyler, og spørgsmålet var grundlæggende, hvordan går man fra tre til nul? Forlader disse vandmolekyler et ad gangen? Går de alle sammen på én gang?

"Og vi opdagede, at det, der sker, er, at et vandmolekyle forlader virkelig hurtigt, hvilket får krystalgitteret til at komprimere og vride sig, og de to andre molekyler ender med at forlade sammen. De siver ud på samme tid, og det får gitteret til at vrides, men forbliver komprimeret. Al den bevægelse, som jeg beskriver - du ville ikke have nogen indsigt i den slags bevægelser i fraværet af den slags eksperimenter, som vi udfører."

Forskningen blev offentliggjort online den 23. juni i tidsskriftet Strukturel dynamik . Benedict ledede undersøgelsen med førsteforfatterne Ian M. Walton og Jordan M. Cox, UB kemi ph.d. dimittender. Andre forskere fra UB og University of Chicago bidrog også til projektet.

At forstå, hvordan strukturerne af MOF'er forvandles - trin for trin - under processer som dehydrering er interessant set fra grundvidenskabens synspunkt, siger Benedikte. Men sådan viden kan også hjælpe med at designe nye krystallinske svampe. Som Benedikt forklarer, jo mere forskere kan lære om sådanne materialers egenskaber, jo lettere bliver det at skræddersy nye MOF'er rettet mod specifikke opgaver.

Teknikken, som holdet udviklede og brugte til at studere krystallens transformation, giver videnskabsmænd et kraftfuldt værktøj til at fremme forskning af denne art.

"Forskere studerer ofte dynamiske krystaller i et miljø, der er statisk, " siger medforfatter Travis Mitchell, en kemi-ph.d. studerende i Benedikts laboratorium. "Dette begrænser i høj grad omfanget af deres observationer til før og efter en bestemt proces finder sted. Vores resultater viser, at observation af dynamiske krystaller i et miljø, der også er dynamisk, gør det muligt for videnskabsmænd at foretage observationer, mens en bestemt proces finder sted. Vores gruppe udviklede en enhed, der giver os mulighed for at kontrollere miljøet i forhold til krystallen:Vi er i stand til kontinuerligt at flyde væske rundt om krystallen, mens vi indsamler data, som giver os information om, hvordan og hvorfor disse dynamiske krystaller transformeres. "

Undersøgelsen blev støttet af National Science Foundation (NSF) og US Department of Energy, herunder gennem NSF's ChemMatCARS facilitet, hvor meget af det eksperimentelle arbejde fandt sted.

"Denne typer eksperimenter tager ofte dage at udføre på et laboratoriediffraktometer, " siger Mitchell. "Heldigvis, vores gruppe var i stand til at udføre disse eksperimenter ved hjælp af synkrotronstråling på NSFs ChemMatCARS. Med synkrotronstråling, vi var i stand til at foretage målinger på få timer. "