Группа исследователей из Германии и Великобритании показала, что древние технологии стеклоделия могут помочь в создании нового поколения высокотехнологичных материалов. Они применили принципы, известные еще мастерам Древнего Египта и Месопотамии, к современным металлоорганическим каркасным стеклам. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemistry.
Старое знание в новой обертке
Тысячи лет назад ремесленники добавляли в расплавленное стекло различные минералы и металлические соединения, чтобы изменить его цвет, снизить температуру плавления и облегчить обработку. Теперь химики решили использовать похожий подход для совершенно другого класса материалов — металлоорганических каркасных стекол (MOF-стекол).
В отличие от обычного силикатного стекла, MOF-стекла состоят из ионов металлов, связанных органическими молекулами. Главное их преимущество — огромная внутренняя поверхность с микроскопическими порами. Благодаря этому они могут улавливать газы, разделять молекулы, работать как катализаторы или использоваться в сенсорах и электронике. Однако у них есть большая проблема: их крайне сложно обрабатывать и формовать из-за высокой температуры стеклования.
Древний принцип в действии
Чтобы решить эту задачу, исследователи добавили к базовому материалу ZIF-62 соединения лития и натрия в качестве модификаторов. Это классический прием древних стеклодувов: добавка «разрыхляет» структуру материала и делает его более податливым.
Эффект превзошел ожидания. Температура стеклования снизилась очень существенно — в одном из экспериментов с 294 °C до 161 °C. Материал стал гораздо более текучим при нагревании, что сильно упрощает его формование и интеграцию в будущие устройства.
Еще один важный результат получился после обработки модифицированного стекла водой. Часть добавленных ионов натрия удалось вымыть. В результате материал стал заметно более пористым: общий объем доступных пор увеличился примерно на 26 % по сравнению с исходным ZIF-62.
Это особенно ценно для технологий улавливания углекислого газа и разделения газовых смесей. Ученые уже протестировали сорбцию CO₂ и подтвердили, что модифицированное стекло лучше справляется с этой задачей.
Где могут применяться новые материалы
«Мы взяли принцип, которому уже несколько тысяч лет, и применили его к совершенно новому классу материалов, — отмечают авторы. — Небольшие добавки могут кардинально изменить поведение стекла, сделав его гораздо более практичным», — отмечают авторы исследования
Такие модифицированные MOF-стекла могут найти применение в самых разных областях: от экологичных систем улавливания углерода и промышленных катализаторов до новых типов оптических устройств и сенсоров. При этом материал остается легким, прочным и функциональным.
Древние стеклодувы, экспериментируя с огнем, песком и минералами, не знали атомной структуры, но прекрасно понимали, как небольшие добавки меняют свойства материала. Сегодня та же логика помогает создавать материалы с совершенно новыми возможностями — от контроля газов до перспективных электронных компонентов.