Умный материал, способный менять свою структуру под воздействием света, создали ученые Южного федерального университета в составе международного исследовательского коллектива. По мнению авторов, разработка найдет применение во многих отраслях: от электроники до интеллектуальных систем хранения водородного топлива.
Умными материалами современные учёные называют вещества, которые обладают исключительной стабильностью, структурным разнообразием и широким спектром свойств. Эти свойства человек стремится контролировать, воздействуя на материал внешними факторами: давлением, температурой, кислотностью седы, наличием ионов металлов и другими видами внешнего воздействия.
Например, фотохромные молекулы органических соединений спиропиранов обратимо изменяют свою структуру под воздействием света. Специалисты ЮФУ совместно с коллегами из Болгарии придумали как обратить это свойство на пользу людям: спиропираны нанесли на поверхность металл-органических каркасов (MOF).
Кандидат химических наук, старший научный сотрудник НИИ ФОХ ЮФУ Илья Ожогин рассказал, что спиропираны представляют собой один из наиболее интересных классов органических фотохромных соединений.
«За счет своей мультичувствительности — способности реагировать на целый ряд внешних воздействий, а также резкого различия в свойствах у изомерных форм данные соединения находят применение в производстве различных «умных» систем и материалов для таких областей науки и технологий, как хемосенсорика, электроника, биовизуализация, фотофармакология. Внедрение подобных молекул в структуру металл-органических каркасов позволит управлять их свойствами при помощи внешнего воздействия», — пояснил Илья Ожогин.
MOF на основе циркония — это пористая молекулярная губка, его можно использовать как ёмкость для хранения взрывоопасного газа водорода. Благодаря светочувствительным молекулам на поверхности каркаса с помощью света можно будет регулировать объем пор молекулярной губки во время загрузки или высвобождения водорода.
Одна из авторов исследования, инженер-исследователь международной исследовательской лаборатории функциональных наноматериалов ЮФУ Ольга Бурачевская рассказала, что разработка позволит обеспечить безопасное хранение водорода в транспортных средствах или стационарных резервуарах, где контроль над газом особенно важен.
«Разработанные материалы могут использоваться в интеллектуальных системах хранения водорода, повышая энергоэффективность. Другое применение они могут найти в электронике, позволяя устройствам адаптироваться к различным условиям освещения. Устройства на основе нашего материала будут не просто инструментами, а интеллектуальными компаньонами», — поделилась Ольга Бурачевская.
Добавление «чувствительных» молекул в пористые носители, например, в жесткие молекулярные губки с большой площадью поверхности — это передовой подход к получению умных материалов, считают в Южном федеральном университете. Каркасы представляют собой решеточную структуру, где металлы и органика образуют прочную «сетку».
Сформировать столь прочную химическую связь ученым ЮФУ удалось с помощью клик-химии — принципа получения сложных молекул путем соединения простых исходных блоков по принципу конструктора. Он позволил создать стабильный композитный материал, в котором фотоактивный компонент «пристегнут» к каркасу.
Исследование выполнено в рамках реализации государственной программы поддержки вузов «Приоритет-2030» национального проекта «Наука и университеты».
Результаты исследования представлены в журнале Microporous and Mesoporous Materials.