Хіміки з Дрезденського технічного університету створили ультрапористий матеріал.
Коли невдовзі Нобелівська премія з хімії цього року більше відноситься до біології, ніж до хімії, то для різноманітності поговоримо про те, що цікавого відбувається в «справжньому» хімічному світі науці.
Ось, наприклад, хіміки з Дрездена створили матеріал з рекордною пористістю - один грам такої речовини має площу поверхні більшу, ніж площа цілого футбольного поля, а це, на хвилинку, більше 7 000 квадратних метрів! Як таке може бути і навіщо це в принципі може бути потрібно?
Для початку давайте розберемося, яка взагалі буває поверхня у речовин і як вона може виявитися такою величезною. Візьмемо, для прикладу, більярдну кулю: він білий, круглий і певного розміру, а площу його поверхні можна розрахувати за елементарними формулами. Тепер візьмемо дриль і просверлимо в цій кулі отвір, але не наскрізь, а, скажімо, до середини. Як зміниться площа поверхні такої кулі? Вона стане більше на величину площі внутрішніх стінок отвору. Якщо ми продовжимо розгортати нашу нещасну кулю, то зможемо сильно збільшити площу її поверхні. Однак нескінченно проробляти такий фокус у нас не вийде - рано чи пізно куля, і так вже більше схожа на решето, не витримає знущань і розвалиться на кілька частин.
Так приблизно виглядає концепція створення пористих речовин з розвиненою внутрішньою поверхнею - чим більше пір в речовині і чим вони менше, тим більше буде їх сумарна площа. Хіміки вже досить давно навчилися створювати такі речовини, у яких на один грам ваги припадає кілька сот квадратних метрів площі, їх ще по-іншому називають молекулярними ситами. Активоване вугілля у вашій аптечці або цеоліти в промислових хімічних реакторах - все це речовини з великою внутрішньою поверхнею. Тут ми підійшли до другого питання - навіщо потрібні такі речовини.
Логічно, що чим більша поверхня, тим більше на ній можна розмістити чого-небудь корисного. Наприклад, можна посадити на поверхню молекули якоїсь речовини. Різні молекули «люблять» різні поверхні, тому якщо з суміші двох речовин одна закріплюється на поверхні, а інша - ні, то на основі цього принципу можна розділяти суміші речовин.
Інший поширений спосіб використання пористих речовин - це прискорення хімічних реакцій, або каталіз. Наприклад, двом молекулам хочеться об'єднатися в одну, але поки вони бовтаються вільно в просторі, їм це надзвичайно складно зробити. Якщо ж вони виявляться, що називається, на твердому ґрунті, то і взаємодія між ними пройде набагато простіше і швидше. Каталізатор в даному випадку надає молекулам місце для взаємодії, природно, що чим більша площа його поверхні, тим ефективніше буде відбуватися хімічні реакції. І це лише кілька найпростіших варіантів використання пористих речовин.
Повернемося до хіміків з Дрездена. Речовина, яку вони створили, отримала назву DUT-60. Воно володіє найбільшою площею внутрішньої поверхні з усіх відомих на сьогодні твердих матеріалів: 7 800 квадратних метрів на один грам речовини. Ця ультрапориста речовина належить до класу метал-органічних каркасних структур. Структура таких матеріалів складається з іонів металів або їх невеликих кластерів, які пов'язані між собою довгими органічними молекулами. Виходить щось на зразок комірок з пластилінових кульок, скріплених між собою тонкими спицями.
Проблема створення таких матеріалів полягає в тому, що при спробі зробити все більш ажурну конструкцію в якийсь момент ця конструкція «схлопується» - втрачає свою внутрішню структуру, а слідом за цим і внутрішню поверхню. Стабілізувати таку ультрапористу структуру можна, помістивши її в рідину. Але висушити її, зберігши початкову форму, як правило, не виходить. Тут можна привести аналогію з водоростю: якщо її вийняти з води, вона тут же злипається і перетворюється на липку зелену масу, зовсім не схожу на ту красиву рослину, яка плавала у воді.
Для вирішення цього завдання німецькі хіміки спочатку розрахували передбачувану структуру DUT-60 на комп'ютері, довівши її теоретичну можливість. І лише через п'ять років їм вдалося відтворити її, що називається, наживо.
Складність і трудомісткість синтезу роблять цей матеріал надзвичайно дорогим, та й кількості, в яких воно було отримано досить і досить невеликі - десятки міліграмів. Однак перше місце є перше місце, і воно того варте. Тим більше що це не просто рекорд заради рекорду, але ще й перспектива створення корисних матеріалів.
За матеріалами: Dresden University of Technology, Angewandte Chemie