Bygning af stilladser ved hjælp af eksotiske elementer:Forskerhold lykkes med at skabe nye metal-organiske rammer

Efter deres opdagelse for 25 år siden, fik metal-organiske rammer (MOF'er) hurtigt auraen af ​​et "mirakelmateriale" på grund af deres særlige egenskaber:deres store indre overflader og justerbare porestørrelser letter forbedrede anvendelser, for eksempel i materialeadskillelse og gas. opbevaring.

Mens tidligere repræsentanter hovedsageligt var baseret på overgangsmetaller som kobber og zink, har et team på Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) udforsket mere eksotiske dele af det periodiske system:de undersøgte analoge forbindelser med actinider som den uorganiske komponent. På den måde er de blandt andet med til at fremme sikker bortskaffelse af radioaktive materialer.

Rossendorf-forskerne har således lagt grundlaget for rammer, der kan rumme en række aktinid-metalliske ioner som den primære komponent, nemlig thorium og uran samt transuranerne neptunium og plutonium.

"De fleste af disse grundstoffer i den sidste række af det periodiske system er kunstige. De er et produkt af neutronbombardement eller et biprodukt i en atomreaktor. I dem har mennesker skabt ekstremt farlige stoffer, fordi de alle er radioaktive og bl.a. nogle tilfælde meget giftige," forklarer Dr. Moritz Schmidt fra HZDR's Institute of Resource Ecology.

"Det betyder også, at alt vores eksperimentelle arbejde skal udføres med særlige sikkerhedsforanstaltninger på plads. Vores arbejdshest er koordinationskemi eller med andre ord at skabe metalkomplekser med overvejende organiske molekyler," siger Dr. Juliane März og uddyber baggrunden. ved holdets aktiviteter.

Inden for koordinationskemi er metal-organiske rammer et relativt ungt felt. De meget porøse faste stoffer er sammensat af metaller eller metal-iltklynger, som er forbundet på modulbasis af søjler af organiske kemikalier, hvilket skaber netværk af fleksible hulrum, der minder om porerne i en køkkensvamp.

I starten fokuserede forskningen på overgangsmetallerne. "Gode udsigter til nye anvendelser fik os snart til at se på grundstoffer med komplekse elektronskaller - først og fremmest de sjældne jordarters metaller og endelig også aktiniderne. Men endnu ved man næsten intet om transuraniske grundstoffer, der ikke forekommer naturligt. , ligesom neptunium og plutonium," siger März og skitserer kronologien.

Stilladser med høj symmetri fra molekylære byggesten – tilpassede applikationer

Som en organisk søjle brugte de kemisk modificeret anthracen, et fremtrædende eksempel på polycykliske aromatiske kulbrinter. "Vi ved, at krystallinsk anthracen er den bedste organiske scintillator:Når energirig stråling passerer gennem dette stof, exciterer den dets molekyler ved kollisionsprocesser. Excitationsenergien udsendes i form af blåt lys. Derfor er vores rammer også lysende." Schmidt rapporterer. Og de udviser en anden speciel egenskab:bredden af ​​deres båndgab, som er et mål for den energetiske forskel mellem valensbåndet og ledningsbåndet.

"In the case of semiconductors at very low temperatures only the valence band has charge carriers; in this state it is non-conducting. When energy is applied, they move to the conduction band and thus trigger a flow of current. Measurements show that our new material is one of the so-called broadband semiconductors which play a role especially in power electronics and sensor technology. So, it might be usable as a detector for ionizing radiation—and the actinides we have built in deliver a constant internal radiation reference at the same time," Schmidt says.

Early investigations into MOFs by research groups worldwide synthesized representatives that exhibited ever larger inner surfaces and have therefore become alternatives to activated carbon and zeolites, for example in materials separation or catalytic processes. Their advantage is that their modular structure means that diverse network topologies can be implemented; moreover, the pore size can be very finely tuned by selecting an appropriate pillar for the intended application such as efficient adsorbents for a very specific chemical.

März and Schmidt have taken this a step further, adding a new facet with their work. They have identified applications in a field in which HZDR's Institute of Resource Ecology conducts research:the safe disposal of radioactive material. The researchers are thus considering the development of a tailored waste matrix that immobilizes actinides in the scaffold and fission products in its pores.

The research is published in Journal of the American Chemical Society and based on earlier work published in Coordination Chemistry Reviews . + Udforsk yderligere

Going beyond Mother Nature's molecules to target radioactive metals