09.12.2021 - Dartmouth College

Neuartiges chemisches Design macht harte Kristalle dehnbar

Forscher wollen chemische Struktur nutzen, um Verunreinigungen im Wasser aufzuspüren und abzufangen

Forscher haben eine neue Methode entdeckt, um Kristalle dehnbar zu machen, eine Modifikation, die sie in die Lage versetzen könnte, als sehr effektive Nanofilter zu fungieren.

"Stellen Sie sich einen Diamanten vor, der sich wie ein Gummiband verhält", sagt der Assistenzprofessor für Chemie Chenfeng Ke. Sein Forschungsteam hat eine neue Art von porösen, kohlenstoffbasierten Kristallen entwickelt, die sich auf mehr als das Doppelte ihrer Länge dehnen können.

Diese Materialien, die Chemiker als poröse organische Gerüste kennen, sind normalerweise hart. Sie werden aus einem Gerüst aus leichten organischen Molekülen wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff aufgebaut. Zusätzliche molekulare Querverbindungen werden chemisch eingefügt, um die Struktur zu verstärken. Ihre Strukturen ähneln offenen Netzen voller Hohlräume oder Poren, die eine Vielzahl von Molekülen als Gäste aufnehmen können. Dadurch können sie als Filter fungieren, die bestimmte Schadstoffe aus der Luft und dem Wasser entfernen oder kommerziell wichtige Chemikalien abtrennen und speichern. Die Größe der Poren bestimmt in der Regel, welche Moleküle absorbiert und gespeichert werden können.

Indem sie das Design der molekularen Bausteine veränderten, konnten die Forscher nun dafür sorgen, dass bestimmte Chemikalien den Kristall vergrößern. Es ist, als ob einige Moleküle einen Schlüssel haben, der eine ganze Menge zusätzlichen Raum aufschließen kann, den sie nun einnehmen können, sagt Jayanta Samanta, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Ke Functional Materials Group.

In einer in der Zeitschrift Chem veröffentlichten Arbeit beschreiben die Forscher, wie sie diese Eigenschaft durch Hinzufügen von so genannten "weichen Verbindungen" in das Kristallgerüst einbauen. Die Gelenke bestehen aus Ionen, die sich gegenseitig abstoßen, aber durch Wechselwirkungen mit anderen Molekülen im Gerüst an ihren Platz gelockt werden. Wenn sie jedoch auf die richtige Chemikalie treffen, werden sie leicht unterbrochen und stoßen sich voneinander ab. Dadurch dehnt sich der Kristall aus, aber nur so weit, wie es die Vernetzer zulassen.

Samanta, der Hauptautor der Arbeit, beschreibt die Kristalle als winzige, harte Nadeln von etwa einem halben Millimeter Länge. Er erinnert sich an den bahnbrechenden Moment, als er zum ersten Mal einen dieser Kristalle in eine Lösung von Phenol, einer in Haushaltsreinigern weit verbreiteten organischen Verbindung, legte. Sie dehnte sich in weniger als 20 Minuten auf das Doppelte ihrer Länge aus, sagt er. Als das Phenol abgewaschen wurde, nahm er seine ursprüngliche Form in der Hälfte der Zeit wieder an.

"Zu sehen, wie sich der Kristall in diesem Ausmaß ausdehnt und zusammenzieht, ist bemerkenswert", sagt Ke, der besonders von der Schnelligkeit der Ausdehnung beeindruckt ist. Diese physikalische Reaktion auf bestimmte Chemikalien in ihrer Umgebung kann für interessante Anwendungen genutzt werden, sagt er. Ke möchte das neue Design in die Praxis umsetzen und ähnliche Kristalle entwickeln, die Verunreinigungen aus Wasser absorbieren können.

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