Металл-органические каркасы научились превращать из трехмерных в двумерные и обратно

F. Tan et al./ Advanced Materials, 2018
Химики синтезировали гибкий металл-органический каркас, структура которого может обратимо превращаться из трехмерной пористой в двумерную слоистую. С помощью такого переключения можно проводить захват каркасной структурой крупных молекул, например фуллеренов, пишут ученые в Advanced Materials.
Решетки металл-органических каркасных структур образованы ионами металла, связанными между собой крупными органическими лигандами. Обычно такие решетки содержат в своей структуре довольно крупные поры, поэтому часто их предлагают использовать для адсорбции молекул газа (например, водорода или углекислого газа). Кроме того, как и похожие на них по структуре цеолиты, металл-органические каркасные структуры считаются перспективным материалом для катализа. Одним из наиболее перспективных типов металл-органических каркасов для этих приложений ученые называют соединения, которые не только обладают высокой пористостью, но еще и могут менять свою конфигурацию в ответ на внешнее воздействие: свет, электрическое поле или химическую реакцию.
Группе химиков из Испании и Великобритании под руководством Хосе Хинера Планаса (José Giner Planas) из Барселонского института наук о материалах удалось синтезировать новый тип таких переключаемых каркасов-трансформеров, у которых в результате внешнего химического воздействия не просто модифицируется структура, но еще и меняется ее размерность: из пористой трехмерной решетки образуются плоские двумерные слои, не связанные между собой химическими связями. Такой металл-органический каркас ученые получили из ионов кобальта, связанных между собой в плоские слои молекулами бензолтрибензойной кислоты. Между собой слои связывались с помощью дипиридиновых карборановых линкеров, за счет которых и формировалась трехмерная структура, устойчивая в диметилформамиде.
Ученые отмечают, что этот переход полностью обратимый: при обратной замене растворителя на диметилформамид и нагревании линкеры возвращаются в свое начальное состояние, а структура металл-органического каркаса снова становится трехмерной и пористой.
Подобные структурные изменения ученые предлагают использовать, например, для захвата и хранения относительно крупных молекул. Работоспособность такой концепции ученым удалось продемонстрировать на молекулах фуллерена. Просто так попасть в замкнутые и довольно небольшие поры в трехмерной структуре каркаса фуллерен не может, но довольно легко проникает между слоями двумерной формы каркаса. После этого двумерный каркас можно вернуть обратно в трехмерное состояние, но уже с молекулами фуллерена внутри.
По словам авторов исследования подобные структуры, в которых к фазовому переходу приводит изменение химического состава среды, температуры, можно будет использовать при создании умных пористых материалов для селективной адсорбции газа или при разработке чувствительных химических сенсоров.
Помимо катализа и адсорбции молекул газа, у металл-органических каркасов есть и другие интересные способы использования. Например, американские ученые разработала устройство на основе подобных веществ, которое может поглощать воду из воздуха даже при достаточно низкой влажности. А другая группа исследователей предложила из металл-органических каркасов получать взрывчатые вещества.
Александр Дубов