Аннотация:
В области материаловедения стекло привлекло большое внимание благодаря своей уникальной неупорядоченной атомной структуре и широкому спектру повседневного и промышленного применения. Однако неконтролируемость обработки при экстремально высоких температурах долгое время ограничивала разработку новых функциональных стекол. Международная совместная научно-исследовательская группа из Университета Бирмингема (Великобритания) и Технического университета Дортмунда (TU Dortmund University) в Германии добилась революционного прогресса. Исследователи умело использовали древние химические стратегии, используемые в традиционном производстве силикатного стекла на протяжении тысячелетий, и успешно добились точной реконструкции и химического контроля внутренней атомной структуры стекла с металлоорганическим каркасом (MOF) в процессе плавления, придав этому типу передового материала новые физические свойства и преимущества в обработке.
Являясь новым неорганически-органическим гибридным материалом, который глубоко сочетает ионы металлов с органическими лигандами, стекло MOF (например, ZIF-62) имеет уникальную микропористую структуру и демонстрирует большой потенциал применения в области улавливания углекислого газа, хранения водорода, опреснения морской воды и усовершенствованного мембранного разделения. Однако традиционное стекло MOF часто необходимо нагревать до температуры выше 300°C, чтобы оно размягчилось и расплавилось. Эта температура чрезвычайно близка к пределу термического разложения самого материала, что не только значительно увеличивает сложность крупномасштабной промышленной обработки и формования, но и легко разрушает его ключевую пористую структуру.
Чтобы преодолеть это узкое место в обработке, научно-исследовательская группа обратила свое внимание на древнюю технологию модификации стекла. В традиционной стекольной промышленности рабочие обычно добавляют в кварцевый песок небольшое количество соединений щелочных металлов, таких как натрий или литий, чтобы снизить температуру плавления и вязкость. Исследователи перенесли эту логику на область MOF-стекла и успешно добились эффективного вмешательства во внутреннюю сеть атомных связей материала, вводя следовые количества соединений натрия или лития в процессе плавления ЗИФ-62.
Чтобы раскрыть этот процесс химической модификации на атомном уровне, исследовательская группа использовала Британскую национальную установку твердотельного ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в сильном поле для проведения экспериментов по высокотемпературной твердотельной ЯМР-спектроскопии и объединила его с компьютерным моделированием машинного обучения на основе искусственного интеллекта для наблюдения за взаимодействием между добавкой и стеклянной сеткой в реальном времени. Данные показывают, что добавленные ионы натрия не только заполняют микропоры внутри материала, но и напрямую заменяют некоторые атомы цинка, локально диссоциируя и реконструируя исходную плотную сетку решетки. Такая реорганизация микроструктуры существенно снижает температуру размягчения материала и значительно улучшает его текучесть в расплавленном состоянии, в наибольшей степени сохраняя исходные поровые характеристики материала.
Эксперты отрасли отметили, что данное исследование успешно доказало, что принцип модификации традиционного силикатного стекла полностью применим к современным сложным металлоорганическим гибридным материалам. Точно переписав химическую и атомную структуру MOF-стекла в расплавленном состоянии, исследователи не только снизили энергопотребление и порог процесса производства этого типа высокоэффективных материалов, но также открыли широкий научный путь для будущей разработки новых инженерных стекол следующего поколения со специфическими функциями газовой адсорбции, катализа и высокоселективного разделения.
Комментарии