Nye nanokrystaller sætter et lille twist på nyttige materialer

En ny slags lille partikel er en stor sag i UO-kemikeren Carl Brozeks laboratorium.

Han og hans team har lavet en alsidig form for porøst materiale kaldet en metal-organisk ramme, eller MOF, til nanokrystaller - en form, der er lettere at bruge ud over laboratoriet. Nanopartikler som disse har en bred vifte af potentielle anvendelser, fra overfladebelægninger, der kan lagre elektrisk ladning, til filtre, der fjerner forurenende stoffer fra luft eller vand.

Nanokrystallerne er de mindste og mest stabile MOF'er lavet endnu, sagde Brozek. Og de har en række interessante egenskaber - især kan de lede elektricitet, og de opfører sig forskelligt afhængigt af den nøjagtige størrelse af partiklen.

"Det føles virkelig som om, vi er gået ind i noget nyt," sagde Brozek. Han og hans team, ledet af kandidatstuderende Checkers Marshall, rapporterede deres fremrykning den 24. november i et fortryk, der blev sendt til forskningssiden ChemRxiv.

MOF'er er svampelignende materialer, der består af metalioner, såsom jern eller zink, forbundet med små kulstofbaserede molekyler. Som en hullet blok af schweizisk ost har MOF'er lommer og sprækker, der giver dem et ekstremt højt overfladeareal. Det gør dem nyttige til applikationer, der involverer indfangning af specifikke molekyler, såsom kuldioxid fra atmosfæren eller bly i drikkevand, fordi der er masser af plads til disse målmolekyler at klæbe på. Og at gøre dem i nanostørrelse ville være særligt praktiske til opskalering og industrielt brug, fordi de bittesmå partikler kunne suspenderes i en opløsning og derefter, ligesom maling, bruges til at belægge en overflade jævnt.

Men at lave MOF'er som nanopartikler har været en vedvarende udfordring, sagde Brozek.

Så hans laboratorium fandt på en løsning. "Når MOF forsøger at vokse, snyder vi det," sagde han.

MOF'er dannes via en række kemiske reaktioner, der forbinder metalioner med linkermolekyler. Brozeks team tilføjede en tredje ingrediens:molekyler, der efterligner linkerne, men som kun kan binde til noget i den ene ende. Som kantbrikker på et puslespil fungerer de som blindgyder for den voksende MOF og sikrer, at den forbliver lille.

"En af de virkelig spændende ting ved vores papir er, at vi ikke kun lavede denne særlige MOF som en nanokrystal, det er også en af ​​de mindste MOF'er, der nogensinde er blevet lavet," sagde Brozek.

Disse nanopartikler, lavet af jerntriazolat, er tilpasningsdygtige:de opfører sig forskelligt ved forskellige størrelser og endda ved forskellige temperaturer. Det åbner op for en række muligheder, sagde Brozek - videnskabsmænd kunne "tune" materialerne til at opføre sig på en bestemt måde ved at justere størrelsen af ​​nanopartiklerne eller temperaturen i miljøet. Og de kunne bruge en lignende tilgang til at designe andre MOF nanokrystaller med forskellige kombinationer af metalioner og linkermolekyler.

"Arbejdet er ret grundlæggende lige nu," sagde Marshall. "Jeg tror, ​​de vigtigste ting er, at vi er i stand til at syntetisere disse nanopartikler, og de viser størrelsesafhængige egenskaber, som ikke er blevet observeret før. Disse to udviklinger vil hjælpe med at tilpasse, hvordan vi anvender MOF'er i eksisterende enheder samt udnytte deres størrelsesafhængighed i fremtidige teknologier."

Brozek og hans team er allerede ved at udforske potentielle anvendelser, både for jerntriazolat-nanopartikler og andre variationer.

"Nu hvor vi kan lave en film ud af disse materialer, er der en reel mulighed for, at vi ville være i stand til at lave membraner, der er nyttige i den virkelige verden," sagde Brozek. For eksempel kunne MOF-nanopartikler, der dækker en overflade, gribe ind i kuldioxidmolekyler, som ellers ville blive frigivet til atmosfæren. Eller partiklerne kunne konstrueres til at klæbe til forurenende stoffer i vand.

"Dette er kun en MOF," sagde Brozek. "Det kommer til at tage masser af laboratorier at udforske dette helt nye videnskabsområde." + Udforsk yderligere

Kemikere syntetiserer de mindste partikler i nanostørrelse for at detektere tungmetalioner i vand