Forskere udvikler molekylært LEGO-kit til at skabe nano-terninger

(PhysOrg.com) - Forskere ved University of Glasgow har udviklet et molekylært 'LEGO -værktøjskasse', som kan bruges til at samle et stort antal nye og funktionelle kemiske forbindelser.

Ved at bruge molekyler som byggesten har de været i stand til at konstruere et molekylært stillads baseret på små (nano-skala) opbevaringsterninger. Denne nye 'designer -rute' åbner døren til mange nye forbindelser, der, potentielt, er i stand til at fungere som ionsensorer, lagringsenheder, og fremtidens katalysatorer.

Forskere inden for Institut for Kemi skabte hule kubebaserede rammer fra polyoxometalater (POM'er) - komplekse forbindelser fremstillet af metal- og iltatomer - som hænger sammen som LEGO -klodser, hvilket betyder, at en hel række veldefinerede arkitekturer let kan udvikles.

Forskerne valgte et 'hjulformet' polyoxometalatmolekyle, indeholdende et 1-nanometer bredt hul, som fungerer som et ‘vindue’ til molekylet. De cykliske forbindelser samler sig selv i vand for at danne smukke kubiske enkeltkrystaller.

‘Vinduerne’ på de ringformede byggesten fører til meget store indre porer, hvilket betyder, at disse nye forbindelser effektivt kan fungere som opbevaringskasser til ioner og små molekyler.

Veldefinerede kemiske arkitekturer er afgørende for mange funktionelle materialer; derfor kunne meget store POM -rammer bruges som ionbrændselsceller, batterier, sensorer, katalysatorer og andre nye nanoteknologier.

Professor Lee Cronin, Gardiner stol i kemi, der ledede undersøgelsen, sagde:”Evnen til at bygge meget robuste uorganiske strukturer på en LEGO-lignende måde er en kæmpe velsignelse for kemikere, præsenterer mange potentielle applikationer. ”

I den rapporterede forbindelse, manganioner forbinder de hjulformede molekyler sammen til det molekylære stillads. Positivt ladede kalium- og lithiumioner er også inkorporeret i rammen for at afbalancere den negative ladning, der bæres af metaloxidionerne i POM-hjulet. Selve rammerne kan også ‘tunes’ ved at ændre ladningen på manganionerne.

De molekylære sansende aspekter af dette nye materiale er relateret til kalium- og lithiumionerne, som sidder løst i hulrum i rammen. Disse kan fortrænges af andre positivt ladede ioner, såsom overgangsmetaller eller små organiske molekyler, samtidig med at rammen forbliver intakt.

Disse egenskaber fremhæver nogle af de mange potentielle anvendelser og applikationer af POM -rammer, men deres principielle anvendelse er deres anvendelse som katalysatorer - et molekyle, der bruges til at starte eller fremskynde en kemisk reaktion, hvilket gør den mere effektiv, omkostningseffektiv og miljøvenlig.

Professor Cronin tilføjede:”Selvom katalysatorer har stor industriel betydning, mange af de katalysatorer, der bruges i dag i industrien, er stadig dyre såvel som 'beskidte', skaber miljøskadeligt affald. ”

"Vores forskning fokuserer på design og syntese af nanoskala funktionelle molekylære arkitekturer, der kan bruges som industrielle katalysatorer, der er mere energieffektive og miljøvenlige end nuværende materialer."

"Udvidede modulære rammer, der inkorporerer uorganiske byggesten som disse, repræsenterer en ny klasse af afstembare materialer med 'aktive websteder' designet til at reagere på gæstens inklusion."

"Med et stort udvalg af POM -hjulmolekyler til rådighed, yderligere undersøgelser er nødvendige for at bygge denne familie af materialer baseret på den generelle designproces, der er blevet etableret. Men desuden har vi til formål at undersøge det katalytiske, sensing og gæsteudveksling mere detaljeret. ”

Forskningen rapporteres i den seneste udgave af tidsskriftet Naturkemi .