Absorberende aerogel viser nogle muskler

En simpel kemisk proces udviklet på Rice University skaber lette og meget absorberende aerogeler, der kan tåle et slag.

Kovalente organiske rammer (COF'er), krystalstrukturer med stærke molekylære bindinger, kan danne en porøs aerogel til brug som en brugerdefineret membran i batterier eller andre enheder eller som en absorbent til at fjerne forurenende stoffer fra miljøet.

Konventionelle COF'er er normalt pulvere. Kemisk og biomolekylær ingeniør Rafael Verduzco, hovedforfattere og Rice-kandidatstuderende Dongyang Zhu og Yifan Zhu og deres kolleger på Rice's Brown School of Engineering opdagede en måde at syntetisere COF-aerogeler, der kan laves i enhver form og enhver størrelse, kun begrænset af reaktionskammeret.

Processen rapporteret i American Chemical Society's Materialernes kemi anvender COF-monomerer, et opløsningsmiddel og en katalysator. Når det blandes og opvarmes til 80 grader Celsius (176 grader Fahrenheit), de bliver en ensartet gel. Vask og tørring af gelen for at fjerne opløsningsmidlet efterlader den stilladslignende aerogel med porer mellem 20 og 100 mikron.

"Den store fordel ved polymerer er, at du kan opløse dem i et opløsningsmiddel, du kan sprøjte, spin coat og dip coat dem, og de er nemme og billige at arbejde med, " sagde Verduzco. "Men COF'er er det ikke. De er et uopløseligt pulver og svære at gøre noget med, men de er virkelig lovende for applikationer, fordi du kan designe eller konstruere dem næsten som du vil på det molekylære niveau. De er ligesom legoklodser, og du kan vælge de molekylære former, størrelser og egenskaber, du gerne vil inkludere i det endelige materiale.

"Vi ledte efter måder at gøre COF'er nemmere at arbejde med, mere som polymerer, og vi fandt ud af, at under særlige reaktionsbetingelser ville de danne en gel, " sagde han. "Når du ekstraherer opløsningsmidlet, du får dette meget lette skum, eller aerogel."

Verduzco sagde, at COF-aerogeler kunne være en værdifuld tilføjelse til industrielle absorbenter, der nu bruges til udbedring, fordi deres porøse strukturer kan tilpasses.

Laboratoriet formulerede seks aerogeler og fandt deres afhjælpningsegenskaber med forskellige farvestoffer, olier og guldnanopartikler var langt bedre og hurtigere end COF-pulvere. I en test med joddamp, et produkt af nuklear fission, aerogelen absorberede 7,7 gram jod pr. gram aerogel, væsentligt bedre end et COF-pulver af samme materiale.

Forskerne fandt ud af, at aerogelerne kunne vaskes og genbruges mindst 10 gange uden at deformeres. "De er ret bløde, men du kan klemme dem i hånden, og de springer tilbage, " sagde Verduzco.

Han ser endnu større potentiale for COF'er som membraner til at adskille komponenter i avancerede batterier, emnet for et nyligt reviewpapir ledet af Dongyang Zhu i Avancerede funktionelle materialer .

De kunne også efterligne biologiske membraner. "Ingen har fundet ud af, hvordan man effektivt adskiller en blanding af ioner eller molekyler, der har omtrent samme størrelse og form, men med denne klasse af materialer, vi kan præcist kontrollere porestørrelser og -former, " sagde Verduzco.

"Biologiske membraner adskiller ioner af samme størrelse og ladning gennem små ændringer i porefunktionalitet, der fortrinsvis binder den ene eller den anden ion, " sagde han. "Jeg tror, ​​vi kan begynde at lave syntetiske materialer, der har lignende egenskaber."

Laboratoriet er ved at udvikle et bibliotek af COF-aerogeler til at teste i applikationer. "Der er virkelig meget at udforske her, " sagde Verduzco.