Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii otrzymali Susumu Kitagawa (Japonia), Richard Robson (Australia) i Omar M. Yaghi (USA) za opracowanie porowatych struktur metaloorganicznych (MOF – metal-organic frameworks).

Jak wyjaśnia prof. Jerzy Choma, nowa klasa krystalicznych materiałów porowatych ma bardzo interesujące właściwości fizykochemiczne, a możliwości ich praktycznego zastosowania są olbrzymie. - Za ich pomocą można adsorbować dwutlenek węgla, oczyszczać wodę z substancji niebezpiecznych, magazynować wodór, a nawet dostarczać leki do organizmu człowieka – wylicza ekspert WAT.

EKOLOGICZNY I SKUTECZNY PROCES MIELENIA

Prof. Jerzy Choma wskazuje, że MOF-y można otrzymać wieloma metodami. Wymienia tu metodę solwotermalną, reakcje wspomagane promieniowaniem mikrofalowym czy ultradźwiękami, syntezę mechanochemiczną oraz elektrochemiczną. Masowa produkcja MOF-ów jest nadal ograniczona, głównie ze względu na mało ekologiczne i złożone metody syntezy. „Zielonych” alternatyw poszukują naukowcy w wielu laboratoriach na świecie.

W Instytucie Chemii WAT naukowcy otrzymują „noblowskie” materiały od kilku lat w mechanicznym procesie mielenia. W ocenie prof. Chomy, mechanochemia oferuje wydajną i przyjazną dla środowiska metodę syntezy różnych MOF-ów. Badacz współpracuje w tym obszarze m.in. z prof. Mieczysławem Jarońcem z Kent State University w Ohio (USA). Polscy eksperci uważają, że szybka i mało rozpuszczalnikowa mechanosynteza jest skuteczną i ciekawą metodą otrzymywania tych zaawansowanych materiałów porowatych.

- Typowa reakcja mechanochemiczna opiera się na procesie mielenia. Mielenie stałych substratów zwykle polega na zapewnieniu lepszego kontaktu między substratami. Reakcja zachodzi w wyniku zmniejszenia wymiaru cząstek, dokładnego wymieszania reagentów, tworzenia świeżej powierzchni do kontaktu, a także ogrzewania reagentów wskutek tarcia – tłumaczy prof. Choma.

Ekspert zaznacza, że podczas procesu mielenia ciał stałych reakcja może zachodzić tylko na powierzchni reagentów, a nie w całej ich objętości. Dlatego kluczowe znaczenie ma generowanie świeżych, aktywnych powierzchni, na których cząsteczki mogą się kontaktować i reagować (https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.01.008).

W laboratorium Zakładu Chemii w WAT naukowcy otrzymali metodą mechanochemiczną następujące materiały: MOF-303, ZIF-8, UiO-66 i CuBTC (https://doi.org/10.3390/molecules29112698).

SPOSÓB NA MAGAZYNOWANIE WODORU I NIE TYLKO

Jak tłumaczy prof. Choma, spektrum zastosowań związków metaloorganicznych ciągle się rozszerza i obejmuje różne dziedziny, począwszy od magazynowania lub usuwania gazów do wykorzystywania tych materiałów do budowy czujników chemicznych oraz luminoforów, także do stosowania ich w medycynie jako nośników leków.

- Ze względu na bardzo dobre właściwości adsorpcyjne, rekordowo duże powierzchnie właściwe i duże objętości porów, związki te są intensywnie badane między innymi jako adsorbenty do usuwania bądź magazynowania gazów, na przykład dwutlenku węgla, wodoru czy metanu – mówi chemik z WAT.

Podkreśla, że MOF-y tym różnią się od innych adsorbentów, że ich struktura porowata może się zmienić pod wpływem bodźców zewnętrznych. Można też dopasować wymiary porów do wymiarów adsorbowanej cząsteczki.

- W celu zwiększenia pojemności adsorpcyjnej, sieci metaloorganiczne poddawane są często aktywacji, polegającej np. na usunięciu cząsteczek rozpuszczalnika pozostałego po syntezie w porach. Zwiększenie adsorpcji na MOF-ach można też osiągnąć poprzez modyfikację tych materiałów (w trakcie syntezy lub po syntezie). Modyfikacja umożliwia kontrolę ich właściwości fizykochemicznych, ale przede wszystkim optymalizację struktury porowatej – dodaje naukowiec.

Jak przypomina prof. Choma, MOF-y są zbudowane z jonu metalu (węzła metalicznego) oraz ligandów organicznych (łączników/mostków) połączonych wiązaniem koordynacyjnym. Są to materiały znane od ponad dwudziestu lat, a liczba otrzymywanych hybryd organiczno-nieorganicznych (MOF) rośnie z roku na rok.

Naukowiec był kierownikiem m.in. projektu badawczego pt. „Otrzymywanie i badanie adsorpcyjnych właściwości hybrydowych materiałów MOF-grafen” finansowanego przez NCN. (PAP)

Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

kol/ bar/