Фотография металлоорганического каркасного соединения с электронного микроскопа. Источник: Александр Крылов
Ученые обнаружили трансформацию структуры и размера пор металлоорганического каркасного соединения под воздействием окружающей среды. Часть пор каркаса остается открытой, создавая промежуточное состояние между упорядоченной и искаженной структурой. Полученные данные могут привести к созданию новых электрооптических датчиков на основе металлоорганических каркасов. Результаты исследования опубликованы в журнале Dalton Transactions.
Металлоорганические каркасные соединения относятся к гибридным материалам. Они представляют собой кристаллические пористые вещества из органических и неорганических комплексов, к примеру, из ионов металлов, связанных друг с другом органическими молекулами — лигандами. Металлы в узлах каркасной решетки и органические лиганды образуют пористую решеточную структуру материала. Воздействие газов, жидкостей, температуры, механических факторов или электромагнитного излучения приводит к изменению размера пор в этих материалах. Эта особенность высокопористых структур позволяет использовать их для поглощения и хранения различных химических веществ. Однако для более широкого применения гибких металлоорганических материалов необходимо понять, как управлять переходом пор из открытого состояния в закрытое и обратно.
Металлоорганические каркасы отличаются большой площадью поверхности и значительной пористостью. Некоторые из них способны поглощать водяной пар и легко выделять его при невысоких давлениях и температурах, высокая рабочая емкость делает эти материалы привлекательными для применения в адсорбционных устройствах для контроля влажности и перераспределения тепла. Одним из таких материалов является металлоорганический каркасный полимер DUT-4. Он состоит из ионов алюминия и полимерных частиц, которые встраиваются в структуру каркаса. По традиции все металлоорганические каркасные соединения именуются по названию университета, в котором был впервые выполнен синтез, поэтому свое имя «DUT-4» получил в честь Дрезденского технологического университета.
Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» совместно с коллегами из Санкт-Петербурга и Челябинска впервые продемонстрировали трансформацию структуры и размера пор металлоорганического каркаса DUT-4 под воздействием внешних факторов и предложили еще одну возможность его практического применения. Они проанализировали небольшой образец этого металлоорганического каркаса, который выдерживался от нескольких часов до полугода в обычных условиях при комнатной температуре и влажности около 25%. В ходе исследования ученые выявили преобразование структуры металлоорганического каркаса: его поры заполнялись парами воды и деформировались, изменяя свою форму. Ученые определили, что переход ускоряется при увеличении влажности с 21% до 80% и более.
Фотография металлоорганического каркасного соединения с оптического микроскопа. Источник: Александр Крылов
Эксперименты также показали стабильность новой искаженной формы в течение как минимум шести месяцев. Более того, исходное состояние могло быть восстановлено после выдержки образца некоторое время в вакууме. Значит, этот материал можно использовать несколько раз, что снижает финансовые и производственные затраты и нагрузку на окружающую среду.
Ученые предположили, что изменение структуры каркаса повлияет на его оптические и электронные свойства. При облучении материала белым светом у него увеличилось оптическое пропускание в инфракрасном диапазоне. Электрические измерения показали увеличение тока и уменьшение падения напряжения при поглощении паров воды из окружающей среды.
«Полученные результаты позволяют нам рассматривать металлоорганическое каркасное соединение DUT-4 как новый материал с фазовым переходом, в котором структура, чувствительная к внешним воздействиям, играет ключевую роль. Наше исследование обнаружило простое преобразование металлоорганического соединения при комнатной температуре и обычной влажности и давлении. Мы также установили процедуры, необходимые для восстановления исходных свойств материала. Структурное преобразование металлоорганического каркаса также влияет на изменения оптических и электронных свойств DUT-4. Результаты нашего исследования открывают новые возможности для создания устройств на основе металлоорганических каркасных соединений для сенсорных и оптоэлектронных приложений», — отметил один из авторов работы Александр Крылов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского.
В исследовании также принимали участие специалисты Университета ИТМО, Сибирского федерального университета и Южно-Уральского государственного университета.
Источник информаци и фото: Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
Фотографии предоставлены Александром Крыловым