Nanoforskere udvikler nyt materiale med kontrollerbare porer

Hvad gør din hud, det tøj du har på, og den jord du står på har til fælles? De er alle porøse stoffer. Som en svamp, deres overflader er dækket af bittesmå huller, der tillader væsker og gasser at passere igennem. Porøse materialer er udbredt i hele vores verden, og dem med porer i nanoskala - kaldet mesoporøse materialer - udgør alt fra kemiske katalysatorstøtter til gaslagringskamre og separationsmembraner.

Til dato, videnskabsmænd har kæmpet for at fremstille stærke mesoporøse materialer; imidlertid, de har med succes udviklet "mikroporøse" materialer. Disse materialer har endnu mindre porer, måler mindre end to nanometer. Forskere konstruerer disse utroligt små materialer ved hjælp af konceptet "molekylær ramme", hvor små, stive molekyler er indbyrdes forbundet for at generere en kontinuerlig struktur. Mens mangel på egnede byggesten i det mesoporøse regime (to til 50 nanometer) har forhindret videnskabsmænd i at udvikle stærke mesoporøse materialer, et forskerhold ved University at Buffalo (UB) har nu løst dette problem.

"Når du når en vis størrelse, de fleste molekyler bliver for fleksible og er ikke stærke nok til at opretholde et materiales poreramme, " sagde Dmytro Nykypanchuk, en videnskabsmand ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et US Department of Energy Office of Science User Facility placeret ved Brookhaven National Laboratory. "Dette har fået forskerne ved UB til at udvikle en helt ny tilgang til syntese af mesoporøse materialer."

I et blad udgivet i ACS Nano , forskerne beskriver syntetisering af et nyt materiale fra flaskebørste-copolymerer, et kæmpe molekyle med speciel arkitektur. Disse molekyler har børster, der udgår fra en rygrad med endeblokke. Forskerholdet forudsagde, at denne unikke kombination af reaktive komponenter i et enkelt molekyle ville danne et stærkt materiale med kontrollerbare porer. Specifikt, sidekæderne kunne fungere som ekstra stive sammenkoblinger, mens de reaktive endeblokke kunne hjælpe flere flaskebørstemolekyler med at binde sammen.

"Flaskebørste-copolymerer giver en unik platform til fremstilling af mesoporøse materialer, " sagde Javid Rzayev, projektets ledende forsker og kemiprofessor ved UB. "Ved at manipulere deres molekylære arkitektur, vi kan kontrollere den molekylære stivhed og retningsbestemmelsen af ​​intermolekylære interaktioner. Dette har givet os mulighed for at udvikle et mesoporøst materiale med molekylært afstembare parametre."

For at bekræfte deres resultater, UB-forskerholdet analyserede det nye materiales struktur på National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), også en DOE Office of Science User Facility. Ved at bruge en teknik kaldet lille vinkel røntgenspredning, holdet dirigerede de lyse røntgenstråler fra beamline 11-BM - en beamline bygget i et partnerskab mellem NSLS-II og CFN - for at observere, hvordan lys preller af atomerne i materialet. Undersøgelsen viste, at det nye materiale var meget anderledes end dem, der blev produceret ved traditionelle metoder. Fordi hver pore blev konstrueret af flere makromolekyler, det nyudviklede materiale havde et meget større antal porer pr. volumen, mens porerne udviste ensartede dimensioner og bevarede deres stivhed. Mest vigtigt, forskerne kunne kontrollere porerne ved at manipulere strukturen af ​​flaskebørste-copolymererne.

"Fordi porerne er defineret af molekylær arkitektur, videnskabsmænd har langt mere kontrol over porestørrelsen og egenskaberne af disse materialer, end de gjorde før, " sagde Nykypanchuk.

Med en robust og kontrollerbar ramme at arbejde af, forskere kan nu forske i måder at forbedre mesoporøse materialer på, såsom at ændre karakteren af ​​porerne for at gøre dem katalytisk aktive.