Элегантная инженерия
через развенчание
научного мифа.
Производство пористых мембран ‒ удовольствие довольно дорогостоящее, требующее к тому же больших временных затрат. Однако в некоторых областях применения экономия средств и времени на этих элементах порождает необходимость в полном пересмотре и усложнении конструкции целевого устройства. Эти меры влекут за собой другие недостатки: как в виде тех же ‒ а нередко и дополнительных ‒ издержек производства, так и в падении производительности приборов с новой конфигурацией.
Тем не менее высокоточные мембраны остаются уделом «избранных» устройств, в то время как возможность контролировать размер их пор полезна в очень многих сферах применения. Тут надежда возлагается на ковалентные органические каркасы (COF) ‒ класс кристаллических полимеров, молекулярная структура которых поддаётся настройке. Вкупе с большой площадью поверхности и пористостью это позволяет им быть полезными в энергетике, полупроводниковых устройствах, датчиках, системах фильтрации и доставки лекарств.
Приблизить время триумфа этих странных органических каркасов получилось у двух молодых учёных из университета Райса: они нашли способ значительно ускорить, упростить и даже удешевить их производство.
«Что делает эти структуры такими особенными, так это то, что они являются полимерами, но образуют упорядоченную, повторяющуюся структуру, которая делает их кристаллами, ‒ говорит один из ведущих авторов исследования, опубликованного в ACS Nano, аспирант Джереми Даум.
Его соавтор, выпускник докторантуры Райса Алек Айнсцтайн, заявляет, что их метод синтеза с использованием осаждения из паровой фазы позволяет производить упорядоченные двумерные кристаллические COF в рекордно короткие сроки.
Одним из препятствий, мешающих более широкому использованию COF, является то, что методы производства, включающие обработку раствором, более длительны и их труднее адаптировать в промышленных условиях. Так, на производство только ингредиентов для необходимого в производстве раствора требуется от 3 до 5 дней. Новый же метод многократно ускоряет весь процесс: на изготовление плёнки теперь нужно около 20 минут.
Изучение реакций под микроскопом позволило понять начальные закономерности образования и роста COF-кристаллов. Но, помимо этого, оно также обнаружило ошибочность одного давнего и весьма обоснованного предположения о том, что температуры до 340ºC (около 644 по Фаренгейту), необходимая для решения задачи, и синтез органических молекул ‒ вещи несовместимые.
«Работая над этим проектом, мы наслушались от многих, кто считал, будто нагрев органических молекул до таких высоких температур помешает протеканию правильных реакций. Но мы обнаружили, что химическое осаждение из паровой фазы на самом деле является жизнеспособным способом для создания органических материалов», ‒ заявляет Айнсцтайн.
Чтобы воплотить в жизнь свои теоретические выкладки, исследователям понадобился специализированный реактор. Он был построен, можно сказать, на коленке ‒ собственноручно; из недорогих и легко доступных материалов, которыми, по большей части, стали куски ранее выброшенного лабораторного оборудования.
«Весь этот процесс был очень дешёвым в сборке, ‒ рассказывает Даум. ‒ Создание надёжного, масштабируемого процесса производства различных COF-плёнок, мы надеемся, позволит лучше применять COF в катализе, хранении энергии, мембранах и многом другом».
Отмечая напоследок эколого-климатическое значение сделанного открытия, учёный раскрывает применимость доступных ковалентных органических каркасов в каталитических процессах: например, их можно использовать для расщепления углекислого газа на полезные химические вещества, такие как этилен и муравьиная кислота.
По материалам АРМК.
