Разработанный в Киотском университете (Япония) двухстадийный метод создания тонких плёнок металлорганических каркасов (МОК) позволяет контролировать их толщину и применим для многих типов каркасных материалов.

По мнению учёных, которое они изложили в Journal of the American Chemical Society,

их технология позволит упростить использование МОК в качестве водородного хранилища, а также как основы для создания газовых сенсоров.

Рис. 1. Дисперсия МОК в органическом растворителе добавляется в воду по каплям, образуя на её поверхности тонкую плёнку, которая затем переносится на твёрдую подложку. (Илл. ACS).

Металлорганические каркасы представляют собой кристаллические материалы с металлическими кластерами, связанными между собой органическими молекулами — лигандами. Присущая им пористая структура обеспечивает очень развитую поверхность, благодаря чему МОК популярны как потенциальные хранилища водородного топлива для «зелёных» автомобилей будущего.

Кроме того, есть определённый интерес в их использовании в качестве катализаторов и газовых сенсоров, в коих важна развитая поверхность. В любом из этих случаев требуется получение тонких плёнок МОК известной толщины с регулярным распределением хорошо развитых пор, позволяющих молекулам диффундировать сквозь них.

На сегодня лучшим (и, пожалуй, единственным) способом производства плёнок более или менее контролируемой толщины считается последовательная кристаллизация слоёв МОК на поверхности субстрата (протекающая обычно во время получения самого материала). Метод требует много времени и усилий, а ещё он несовместим со многими типами МОК. Так, некоторые из них требуют очень жёстких условий синтеза, таких как высокая температура и едкие растворители. Подобные среды чаще всего попросту разрушают подложку или даже саму растущую плёнку, внося в неё полнейший хаос.

Чтобы решить эту проблему, японские учёные разделили то, что нельзя (или не всегда можно) совместить: они разнесли процесс получения МОК (каких бы условий это ни потребовало) и процесс плёнкообразования. Сначала предлагается синтезировать желаемые МОК-частицы в нужном растворе, используя необходимые синтетические условия. Затем частицы диспергируются в подходящем растворителе и вносятся в воду, образуя на её поверхности плёнку (ввиду более низкой, чем у воды, плотности). После чего сверху с помощью резиновой присоски подложка для переноса плёнки МОК опускается на твёрдый субстрат. (Удивительно просто — правда, необходимо позаботиться о достаточной адгезии между субстратом и МОК, что может наложить ограничения на выбор подложки в каждом отдельном случае.) Поскольку плёнка наносится уже после синтеза с использованием простой воды в качестве жидкой среды, о проблемах, которые сопровождали жёсткие условия синтеза, можно забыть.

И вот практическое воплощение метода — создание тонкой плёнки МОК, содержащей медь и порфириновый лиганд. В первую очередь в смеси N,N-диметилформамида и этанола были получены чешуйки соответствующего МОК, которые, по данным атомной силовой микроскопии, имели в диаметре 300–500 нм, а в толщину не превышали 15 нм. Затем чешуйки диспергировались в этаноле под действием ультразвука, после чего полученная дисперсия была по каплям перенесена в стакан с обыкновенной водой. При этом наблюдалось формирование тонкой плёнки, состоящей из разбегающихся по поверхности воды чешуек МОК. Наконец,

плёнка была транспортирована на твёрдую подложку описанным выше методом. Процесс повторялся несколько раз подряд, что привело к формированию слоёного покрытия требуемой толщины.

Технология позволяет нанести 100 слоёв МОК за 10 минут. Для сравнения:

традиционный метод требует тех же 10 минут для формирования единственного слоя.