Zwei einfache Bausteine ​​erzeugen komplexes 3D-Material

Anonim

Wissenschaftler der Northwestern University haben ein strukturell komplexes Material aus zwei einfachen Bausteinen aufgebaut, das das Metall-organische Gerüst mit der niedrigsten Dichte ist, das jemals hergestellt wurde.

Nach den von den Wissenschaftlern entwickelten Designregeln ordnen sich Uranatome und organische Linker zu einem wunderschönen Kristall zusammen - einem großen, luftigen 3-D-Netz mit sehr geräumigen und nützlichen Poren. Die Poren sind so geräumig, dass die Wissenschaftler ein großes Enzym in eine Pore geschmissen haben - nicht zu überbieten. Das Material kann als Schutzgerüst für Enzyme dienen.

"Wir bauen mit einer Genauigkeit von einem Atom", sagte Omar K. Farha, Forschungsprofessor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences, der die Forschung leitete. "Unser Material beginnt auf der Ebene einzelner Atome, gemessen in Angström, und endet auf der Ebene von Hunderten von Mikrometern, wo wir den kleinen Kristall mit einer Pinzette halten und mit bloßem Auge sehen können."

Die Studie wurde in der 12. Mai Ausgabe der Zeitschrift Science veröffentlicht .

Das Material ist sehr leicht, obwohl es aus Uran, einem der schwersten Elemente des Periodensystems, besteht. (Die Wissenschaftler verwendeten Uran 238, ein nichtradioaktives Isotop.) Die Uranatome sind in der Struktur so weit voneinander entfernt, dass das metallorganische Gerüst (MOF) den Titel mit der geringsten Dichte von allen Konkurrenten erhält.

"Es ist kontraintuitiv", sagte Farha, die auf das rationale Design von MOFs für Katalyse-, Sensor- und Speicheranwendungen spezialisiert ist.

"Dieses Material wurde bisher nicht gesehen oder vorhergesagt. Trotz seiner einfachen Anfänge hat unsere MOF-Struktur eine beispiellose strukturelle Komplexität. Und wir haben gerade die Oberfläche des Aufbaus der hoch entwickelten Strukturen mit einfachen Bausteinen gekratzt."

Die Entdeckung enthüllt das Potenzial, allgemeine Gestaltungsregeln für die Selbstorganisation von offenen, komplexen Strukturen aus einfachen Bausteinen zu erstellen und gleichzeitig das Potenzial von Aktiniden wie Uran in der Materialsynthese hervorzuheben, sagte Farha.

Die Forscher können nun die neuen Konstruktionsregeln für die Bottom-up-Konstruktion anwenden, um verschiedene neuartige Materialien mit vordefinierten und vorhersagbaren komplexen Strukturen zu synthetisieren.

Metall-organische Gerüste sind wohlgeordnete, gitterartige Kristalle. Die Knoten der Gitter sind Metalle und organische Moleküle verbinden die Knoten. Das neue MOF, genannt NU-1301, besteht nur aus Uranoxidknoten und organischen Tricarboxylat-Linkereinheiten. Diese Einfachheit macht das MOF industriell relevant.

Zusätzlich zu der strukturellen Komplexität hat NU-1301 eine sehr große Oberfläche, Porenvolumen und Wasserstabilität und kann verwendet werden, um kleine organische Moleküle und große biologische Moleküle oder Enzyme basierend auf ihren Größen und Ladungen zu trennen.

Jede Einheitszelle - die Grundeinheit, die sich in drei Dimensionen wiederholt, um die Kristallstruktur zu erzeugen - besteht aus 816 Uranknoten und 816 organischen Linkern. Eine Einheitszelle misst 173 Angström und wiederholt sich ständig. Die Einheitszellen bauen sich zu Fünfecken und Sechsecken zusammen und wachsen schließlich zu einem Kristall, der einen Viertelmillimeter breit sein kann.

Das Papier trägt den Titel "Bottom-up-Konstruktion einer Überstruktur in einem porösen Uran-organischen Kristall."

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