Et fast opløsningsmiddel til unikke materialer

Materialer, der er umulige at opnå med eksisterende metoder, kan fremstilles ved hjælp af et fast, nanostruktureret silica opløsningsmiddel. Forskere fra Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi i Krakow præsenterede en innovativ tilgang til produktion af stoffer med unikke fysiske og kemiske egenskaber.

Et team af fysikere fra Krakow (Polen) er lykkedes med at udvikle en fleksibel metode til fremstilling af faste, todimensionelle silica-opløsningsmidler til fremstilling af materialer med unikke optiske, magnetiske og strukturelle egenskaber. Udtrykket "fast opløsningsmiddel" betyder her et stof, som ved nedsænkning i en opløsning af de passende molekyler, binder dem til sin overflade i nøje definerede proportioner og på en defineret måde. Denne præstation er arbejdet af et team ledet af Dr. Lukasz Laskowski fra Institut for Nuklear Fysik ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow. Resultaterne af holdets mangeårige arbejde er netop blevet præsenteret i International Journal of Molecular Sciences .

Nye materialer fremstilles ofte ved at afsætte specifikke atomer eller kemiske molekyler på et passende substrat, såsom silica eller kulstof. Problemet her, imidlertid, styrer hvordan molekylerne aflejres. Vanskeligheden er let at forstå ved hjælp af et enkelt eksempel. Tag en gummikugle, beklæd det med lim og smid det i nogle fjer. Når du tager bolden ud, du opdager, at der er flere fjer nogle steder end andre på overfladen. Årsagen til denne situation er, at der ikke er kontrol over, hvordan individuelle fjer klæber til bolden.

"I molekylær teknik, situationen er endnu mere kompliceret, "siger Dr. Laskowski og præsenterer spørgsmålet:" Antag, at det efter mange års forskning fint lykkedes at finde en måde at kontrollere afstanden mellem fjerene, der sidder fast i gummikuglen. Hvad ville der ske, hvis vi pludselig havde brug for at holde på ikke fjer, men Lad os sige, glasperler? Du skal nok skifte limen. Ændring af limen og det limede element ville betyde, at der skulle udtænkes nye metoder til at kontrollere afstanden mellem de elementer, der klæbes på. Igen, dette vil kræve flere års forskning, hvilket ikke nødvendigvis ville være en succes."

Krakow fysikerne, finansieret af det polske nationale videnskabscenter, besluttede at løse problemet beskrevet ovenfor på følgende måde. I stedet for at kæmpe med successive søgninger efter nye metoder til ensartet aflejring af alle mulige forskellige ioner eller partikler på bærere, de udviklede en metode til at belægge et silicasubstrat med forankringsenheder. Her, hvert molekylært anker er bundet på den ene side til substratet, mens den anden side kan fange en ion eller et molekyle af en bestemt type fra miljøet. Det, der er særligt vigtigt, er, at denne metode gør det muligt at opretholde statistisk kontrol over tætheden af ​​fordelingen af ​​ankrene på bærerens overflade. Problemet med at designe nye materialer er således blevet radikalt forenklet. I øjeblikket, dets vigtigste punkt er den relativt enkle og hurtige udvikling af et anker med den ene ende, der tiltrækker de aktuelt nødvendige ioner eller molekyler.

"I vores metode, nøglerollen for det faste opløsningsmiddel spilles af silica nanostrukturer. Vi producerer dem under forhold sådan, at når de dannes, de er straks dækket af et regulært net af forankringsenheder med en tæthed, der er nøje tilpasset vores nuværende behov, " forklarer Dr. Magdalena Laskowska (IFJ PAN).

Evnen til statistisk at kontrollere afstanden mellem ankre, som eksisterer på tidspunktet for fremstilling af silicaopløsningsmidlet, giver forskerne mulighed for præcist at vælge mængden af ​​stof bundet på silicapartiklernes overflade. På samme tid, det bliver muligt at bevare kontrol over interaktionerne mellem de molekyler, der er fanget af ankrene og endda over deres orientering.

"I traditionelle processer til fremstilling af nye materialer, molekyler af visse kemiske forbindelser kan blive aflejret på en overflade på en sådan måde, at deres molekylære struktur ændres. Molekylerne mister derefter ofte deres egenskaber og bliver praktisk talt ubrugelige. Dette sker, når molekyler binder til substratet ved hjælp af fragmenter, der bestemmer deres fysiske eller kemiske egenskaber. Imidlertid, vi kan tage disse uregerlige molekyler og komprimere antallet af ankre på et fast opløsningsmiddel på en sådan måde, at molekylerne, efter binding, stadig har aktive områder og bevarer deres oprindelige funktionalitet, " forklarer Ph.D.-studerende Oleksandr Pastukh (IFJ PAN).

Når et passende forberedt silica -opløsningsmiddel nedsænkes i en opløsning med målionerne/partiklerne, ankrene på dens overflade fanger og binder dem, hvilket spontant fører til den formodede molekylære strukturdannelse. Det nydannede materiale skal nu blot filtreres, vaskes med et opløsningsmiddel for at fjerne snavs, og tørret.

At mestre teknologien til at producere faste opløsningsmidler med præcist kontrolleret ankerfordeling gjorde det muligt for IFJ PAN-forskerne at vende den traditionelle proces med at designe og syntetisere materialer. I stedet for at undersøge allerede fremstillede materialer for at finde anvendelser til dem, Krakow-forskerne lærer først om nuværende behov, for eksempel, inden for optoelektronik eller fotonik, så med disse i tankerne, designe materialets egenskaber, bestemme dens molekylære struktur, og til sidst syntetisere et stof med præcis de egenskaber, der kræves. Under syntesen, en nøglerolle spilles ofte af et fast opløsningsmiddel, hvormed det er muligt at kontrollere proportionerne mellem molekyler, der deltager i reaktionen med ekstraordinær præcision.

"Når materialet er produceret, vi tester det for at sammenligne dets faktiske fysiske og kemiske egenskaber med de nødvendige. Hvis der er uoverensstemmelser, vi gentager syntesen med lidt ændrede parametre. Hvis det ikke hjælper, vi foretager justeringer på det molekylære designstadium, " Ph.D.-studerende Andrii Fedrochuk (IFJ PAN) forklarer mere detaljeret.

Metoden med nanostruktureret silica-opløsningsmiddel er særlig interessant på grund af muligheden for at producere materialer med unikke ikke-lineær-optiske egenskaber, for eksempel, med en præcist indstillet anden eller tredje harmonisk komponent af lys (hvilket betyder, at lysbølgen, der forlader materialet, har fordoblet eller tredoblet frekvensen i forhold til den bølge, der falder ind på materialet). Der åbner sig også interessante ansøgninger inden for medicin. Det er ved at blive muligt at udvikle nye materialer, der gør det muligt for molekylerne at bevare deres stærke biocide egenskaber, når de tilsættes til tandfyldninger eller maling.