Химики из Северо-Западного университета США создали рекордно легкий металлоорганический каркас, а элементарная ячейка полученного вещества оказалась самой большой среди всех небиологических материалов. Исследование опубликовано в журнале Science. юхштекщъ

Металлоорганические каркасы (MOF) – класс соединений, в которых металлы и органические соединения образуют единую кристаллическую структуру, называемую каркасом. Их строение можно представить как немного измененное строение обычных неорганических кристаллов: в узлах элементарной ячейки находятся атомы металла или неорганические кластеры, а соединяют их жесткие органические молекулы. Поскольку органические молекулы часто имеют большой размер, внутри элементарных ячеек образуются пустоты. Эта особенность объясняет их особые свойства: крайне малую плотность и крайне высокую удельную поверхность, часто выше, чем даже у активированного угля.

За счет большого количества пор металлоорганические каркасы могут поглощать другие вещества, причем избирательно. Этим объясняется интерес к ним со стороны ученых и инженеров. Металлоорганические каркасы используют для поглощения газов, очистки воздуха или жидкостей. Потенциально, они могут использоваться для эффективного хранения водорода в топливных элементах, доставки лекарств в конкретные органы, для катализа и в других областях.

Peng Li et al. / Science, 2017

Многие исследователи не рассматривали уран и тяжелые металлы в целом, как элемент металлоорганических комплексов из-за их крайне большой массы. Однако, химики решили, что, если они создадут достаточно пористую структуру, масса метала не будет вносить большой вклад в общую плотность соединения.

Схема сборки кубоктаэдров в конечную суперструктуру. Peng Li et al. / Science, 2017

Для получения соединения химики смешивали нитрат уранила (UO₂(NO₃)₂) и органические прекурсоры для получения трикарбоксилата. Реакция происходила в течение суток при температуре 120℃. Полученное соединение имело крайне сложную структуру. Изначально, атомы урана и молекулы трикарбоксилата собирались в кубооктаэдры – структуру, имеющую восемь треугольных и шесть квадратных граней. Между собой эти структурные элементы соединялись по треугольным граням. Объединяясь в сложные структуры, эти кубооктаэдры образуют элементарную ячейку, состоящую из 816 урановых узлов и 816 органических лигандов. Это соединение химики назвали NU-1301.

Элементарная ячейка полученного комплекса оказалась в 500 раз больше, чем в среднем для металлорганических каркасов. Также, соединение оказалось одним из самых термически устойчивых металлорганических каркасов, выдерживая нагревание до 500℃. Учитывая анионный характер ураниловых узлов, исследователи предположили, что и конечное соединение NU-1301 окажется хорошим адсорбентом анионов. Для проверки, NU-1301 смешали с красителем C₁₆H₁₈ClN₃S, также известным, как «метиленовый синий». Соединение полностью поглотило краситель, являвшийся катионом, что подтвердило гипотезу.

Исследователи считают, что полученное ими соединение может быть использовано в очистке или разделении веществ, а работа в целом может подтолкнуть других ученых к изучению металлоорганических каркасов с тяжелыми металлами и сложным строением.

В 2015 году химики из Великобритании создали взрывчатку из металлоорганического каркаса, в котором объединили окислитель и топливо в единую супермолекулярную структуру, обеспечивающую идеальное смешение компонентов.

Автот: Григорий Копиев