Коллектив исследователей из Красноярска, Санкт-Петербурга и Челябинска обнаружил трансформацию структуры и размера пор металлорганического каркасного соединения под воздействием окружающей среды. Часть пор каркаса остаётся открытой, создавая промежуточное состояние между упорядоченной и искажённой структурой. Полученные данные могут привести к созданию новых электрооптических датчиков. Результаты исследования опубликованы в журнале Dalton Transactions.
Металлоорганические каркасные соединения относятся к гибридным материалам. Они представляют собой кристаллические пористые вещества из органических и неорганических компонентов, к примеру, из ионов металлов, связанных друг с другом органическими атомами — лигандами. Металлы и органические лиганды образуют решёточную структуру материала. Воздействие температуры, газов, жидкостей, электромагнитного излучения и других механических факторов приводит к изменению размера пор в этих материалах. Эта особенность высокопористых структур позволяет использовать их для поглощения и хранения различных химических веществ. Однако для более широкого применения гибких металлоорганических материалов необходимо понять, как управлять переходом пор из открытого состояния в закрытое и обратно.
Способность металлоорганических каркасов поглощать водяной пар и легко выделять его при невысоких давлениях и температурах, а также высокая рабочая ёмкость делают эти материалы привлекательными для применения в устройствах для контроля влажности и перераспределения тепла. Одним из таких материалов является металлоорганический каркасный полимер DUT-4. Он состоит из ионов алюминия и полимерных частиц, которые встраиваются в структуру каркаса. По традиции все металлоогранические каркасные соединения именуются по названию университета, в котором был впервые выполнен синтез, и DUT-4 получил своё имя в честь Дрезденского университета технологий.
Сотрудники ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» вместе с коллегами из Санкт-Петербурга и Челябинска впервые продемонстрировали трансформацию структуры и размера пор каркаса DUT-4 под воздействием внешних факторов и нашли ещё одну возможность его применения. Они проанализировали образец, содержащийся от нескольких часов до полугода при комнатной температуре и влажности 21 %. В ходе исследования учёные обнаружили, что поры каркаса изменяли структуру и размер, деформировались и закрывались. Поры в металлоорганическом каркасе представляют собой одно-, двух- или трёхмерные структуры, состоящие из металлических кластеров, скоординированных с органическими лигандами. Доступ к закрытым порам ограничен или невозможен. В открытые поры могут проникать вещества. Исследователи определили, что переход ускоряется при увеличении влажности с 21 % до 80 %.
Эксперименты также показали стабильность новой искажённой формы в течение как минимум шести месяцев. При этом исходное состояние могло быть восстановлено в вакууме. Значит, этот материал можно использовать несколько раз, что снижает финансовые и производственные затраты.
Учёные предположили, что изменение структуры каркаса повлияет на его оптические и электронные свойства. При облучении материала белым светом у него увеличилось оптическое пропускание в инфракрасном диапазоне. Электрические измерения показали увеличение тока и уменьшение падения напряжения при приложенном напряжении.
«Полученные результаты позволяют нам рассматривать металлоорганический каркас DUT-4 как новый материал с фазовым переходом, в котором структура, чувствительная к внешним воздействиям, играет ключевую роль. Наше исследование обнаружило простой и лёгкий способ преобразования металлоорганического каркаса при комнатной температуре, влажности и давлении, а также условия восстановления исходных свойств материала. Структурное преобразование металлоорганического каркаса также влияет на изменения оптических и электронных свойств DUT-4. Результаты нашего исследования открывают возможности для создания нового семейства материалов на основе металлоорганических каркасов для сенсорных и оптоэлектронных приложений», — отметил один из авторов работы Александр Крылов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
В исследовании также принимали участие специалисты Университета ИТМО, Сибирского федерального университета и Южно-Уральского государственного университета.
Источник: КНЦ СО РАН.