Великобритания и Германия добились значительного прогресса в создании легко производимого стекла без кремния. Этот прорыв, опубликованный в Nature Chemistry, основан на классических принципах стекольного производства для модификации металл-органических каркасов (MOF) — материалов, способных улавливать такие газы, как CO₂ и водород.
Исследование сосредоточено на семействе материалов, известных как стекла MOF, которые состоят из металлических атомов, связанных с органическими молекулами. В отличие от обычного стекла, основанного на силикатных сетках, эти гибридные структуры сохраняют микроскопические внутренние поры. Эти поры полезны для разделения газов, хранения химических веществ или применения в качестве передовых покрытий.
Основная проблема заключалась в их производстве. Обычно эти стекла размягчаются при температуре выше 300 °C, что очень близко к точке их разложения. Эта термическая граница затрудняет их промышленную переработку и ограничивает их внедрение в реальные приложения в таких отраслях, как строительство, электроника, сенсоры или улавливание углерода.
Старый трюк для нового материала
Команда исследователей из Бирмингемского университета и Технического университета Дортмунда применила известный веками метод: модификация стекла путем добавления небольших количеств химических соединений для изменения его свойств. В данном случае были протестированы добавки на основе натрия и лития для изменения структуры материала.
Химик Доминик Кубицки из Бирмингемского университета пояснил, что стекло существует в человеческой цивилизации тысячелетиями. От древней Месопотамии до современных оптоволоконных кабелей, небольшие количества химических модификаторов облегчали обработку стекла и изменяли его функциональные свойства.
Этот подход был применен к ZIF-62, одному из наиболее изученных примеров стекла MOF. Этот материал, содержащий цинк, может плавиться и охлаждаться как стекло, не теряя полностью свою внутреннюю пористость. Это свойство делает его перспективным кандидатом для мембран, катализа и селективного разделения газов.
Меньше температуры и больше пор
Испытания показали, что бензимидазолат натрия позволил регулировать способность к поглощению CO₂ и увеличил общий объем пор, необходимых для этого процесса, примерно на 26%. Кроме того, температура стеклования снизилась с 294 °C до 161 °C — это решающее изменение, облегчающее производство.
Себастьян Хенке из Технического университета Дортмунда отметил, что их подход вдохновлен тем, как модифицировались обычные силикатные стекла: путем изменения структуры сетки для регулирования свойств плавления и механических характеристик. Исследователь добавил, что этот прорыв приближает стекла MOF к реальному применению в разделении газов, хранении, катализе и других высокопроизводительных технологиях.