Сотрудник Самарского государственного технического университета и его иностранные коллеги разработали пористый материал, который можно применять и в бытовых целях — например, при фильтрации воды,— и чтобы избавиться от последствий техногенных аварий. Работа поддержана Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда.
Пористые органические монокристаллы
Пористые органические монокристаллы
Чтобы упростить синтез новых полимерных соединений, ученые должны следовать определенным правилам: они помогают точнее отбирать из уже известных материалов те, что обладают требуемыми свойствами. Например, с помощью этих правил можно создать органические материалы с большими порами и адаптировать под окружающие условия. Они смогут «настраивать» свою поглощающую способность и избирательность. Такие материалы сильно повысят качество жизни людей, а также улучшат экологичность, экономичность и технологичность предприятий. Их можно будет использовать для ликвидации последствий техногенных аварий, в быту и промышленной безопасности, в том числе в фильтрах и системах оповещения при угрозе отравления дома и рабочей зоны. Кроме того, используя такие материалы, возможно контролировать качество воды и продуктов питания.
«Мы на основании правил из нашей базы данных предсказали существование серии новых разнообразных по строению органических монокристаллов. После этого была исследована их структура и настроены требуемые свойства: высокая упорядоченность, нерастворимость, большая емкость для поглощения растворителя и молекул йода с обратимым набуханием и пятикратным увеличением объема кристалла»,— рассказал один из авторов статьи, Евгений Александров. Он руководитель проекта, кандидат химических наук, заведующий лабораторией синтеза новых кристаллических материалов Самарского государственного технического университета.
Структура пористых органических монокристаллов
Структура пористых органических монокристаллов
Йод в виде свободного вещества токсичен: его смертельная доза составляет всего 3 грамма. Он вызывает поражение почек и сердечно-сосудистой системы. Существует радиоактивный йод-131, который особенно опасен для человека, поскольку накапливается в щитовидной железе и вызывает ее поражение. Поэтому важно контролировать содержание элемента в воде и воздухе.
В смоделированных в СамГТУ и синтезированных в Дартмутском колледже (США) пористых органических каркасах молекулы «скреплены» между собой с помощью водородных связей, что делает структуру устойчивой в упорядоченном (кристаллическом) состоянии. Так как водородные связи не самые прочные, кристаллы могут растворяться в воде, поэтому соединение нельзя использовать для ее фильтрации. Авторы решили изучить возможность соединения этих же атомов друг с другом с помощью более прочных связей — в составе гибких сшивок на основе серы. При этом сохраняется исходный порядок упаковки и пористость. Подобные сшивки, например, используются в производстве резины из каучука. Они обладают необходимой прочностью и гибкостью и способны выступать в роли молекулярных пружин. Такая структура может обратимо вытягиваться и сжиматься с многократным изменением размеров.
Пористые органические монокристаллы
Пористые органические монокристаллы
Исследователи подсчитали, что общее число комбинаций упорядоченного связывания — 2225 с использованием 68 мостиков (сшивок), если учитывать только длину мостиков. Но из этого многообразия нетрудно образовать лишь 17 вариантов. Остальные оказались невозможными из-за размеров и форм пор и каналов в исходной структуре. При дальнейшем отборе выяснилось, что всего четыре из 17 сшитых структур обладают нужными свойствами. Они могут поглощать и обратно выделять йод и при этом увеличиваться в размерах более чем в два раза, сохраняя свою структуру.
Получить органические каркасы с кристаллической структурой и заданными строением и свойствами очень сложно, поэтому результаты работы важны для последующих исследований. На их основе можно будет разработать достаточно гибкие и пористые соединения, которые найдут широкое применение в промышленности и быту.
По материалам Journal of the American Chemical Society