Japońscy badacze znaleźli sposób na formowanie delikatnych materiałów porowatych zwanych MOF bez ich niszczenia. Wystarczy wypełnić pory cieczą jonową, a wiązka jonów nie rujnuje już struktury kryształu, nawet w temperaturze pokojowej.
Czym są MOF i dlaczego trudno je obrabiać
MOF to skrót od angielskiej nazwy metalowo-organicznych sieci szkieletowych. Są to materiały zbudowane z jonów metali połączonych cząsteczkami organicznymi, w których powstaje sieć drobnych porów. Pomysł na takie struktury zapoczątkował w 1974 roku Richard Robson z Uniwersytetu w Melbourne, który zamiast drewnianych kulek i metalowych prętów w modelach chemicznych chciał użyć prawdziwych cząsteczek i wiązań. Eksperymentował wtedy z jonami miedzi połączonymi czteroramienną cząsteczką organiczną i otrzymał strukturę z wnęką.
Pory MOF-ów potrafią wychwytywać zanieczyszczenia, magazynować gazy i wspierać reakcje chemiczne. To czyni je obiecującymi także dla czujników chemicznych i urządzeń elektronicznych. Problem w tym, że ich struktura jest krucha. Do wytwarzania wzorów w układach elektronicznych stosuje się trawienie suche, w którym strumień energetycznych cząstek, na przykład jonów lub elektronów, usuwa fragmenty materiału. Taka obróbka łatwo uszkadza delikatny szkielet MOF.
Jak działa nowa metoda
Zespół z Tokyo University of Science, kierowany przez Yumenga Zhenga i prof. Kentaro Kinoshitę, wypełnił pory MOF-u opartego na miedzi (Cu₃BTC₂) czterema rodzajami cieczy jonowych z grupy imidazoliowych. Zajęły one 50–60% objętości porów. Następnie w temperaturze pokojowej wytrawiano wzory skupioną wiązką jonów galu.
Bez cieczy jonowej wiązka niszczyła strukturę krystaliczną i tworzyła duże ubytki. W próbkach wypełnionych cieczą uszkodzenia mikrostruktury były w testowanych warunkach wyraźnie mniejsze. Naukowcy wykonali m.in. kwadrat o boku 5 mikrometrów, słupek oraz chiński znak z liniami o szerokości 130–300 nanometrów.
- Badacze przypuszczają, że ciecz jonowa pochłania ciepło i pomaga rozpraszać ładunek elektryczny gromadzący się podczas obróbki.
- Traktowane próbki rozkładały się w wyższej temperaturze niż materiał bez cieczy.
- Wszystkie cztery warianty były twardsze od materiału niezmodyfikowanego, a ich sztywność pozostała w zasadzie bez zmian.
Co to zmienia w praktyce
Dotąd jedynym znanym sposobem fizycznego trawienia MOF-ów bez niszczenia ich struktury było trawienie kriogeniczne, wymagające chłodzenia ciekłym azotem i specjalistycznego sprzętu. Nowa metoda tego nie potrzebuje. Choć pokazano ją na materiale miedziowym, autorzy sądzą, że da się ją rozszerzyć na inne MOF-y, a znanych jest ich około 100 tysięcy.
„Widzimy zastosowania w czułych czujnikach, urządzeniach do separacji i analizy oraz urządzeniach katalitycznych” – powiedział Kentaro Kinoshita.
Znaczenie dla Polski i Europy
To na razie badania laboratoryjne, opublikowane w czasopiśmie Communications Materials, więc na urządzenia z takimi elementami w sklepach trzeba będzie poczekać. Materiały MOF badane są także w europejskich ośrodkach naukowych, również w Polsce, głównie pod kątem magazynowania gazów, oczyszczania powietrza i wody oraz katalizy. Łatwiejsze nadawanie im precyzyjnych kształtów może więc w przyszłości ułatwić tworzenie miniaturowych czujników, na przykład do wykrywania zanieczyszczeń. Na razie trzeba jednak sprawdzić, czy metoda sprawdzi się z innymi materiałami i w większej skali.
Źródło: Phys.org – „Making metal–organic frameworks easier to shape for electronic devices”
