Исследователи совершили важный шаг к широкому применению инновационных материалов: они нашли способ упростить производство особого газоулавливающего стекла. В основе открытия — многовековой принцип традиционного стеклоделия.
Речь идёт о стеклообразных металлоорганических каркасных структурах (МОКС / MOF‑стекла). Эти материалы состоят из атомов металлов, связанных органическими молекулами, и образуют пористые структуры, способные:
- улавливать углерод;
- хранить водород;
- служить основой для специальных покрытий;
- разделять газы;
- участвовать в каталитических процессах.
Главная проблема МОКС‑стекол до сих пор заключалась в том, что они размягчались при температуре выше 300∘C — почти сразу после начала разрушения. Из‑за этого их было крайне сложно обрабатывать и невозможно массово производить.
Команда учёных решила эту проблему, добавив в состав небольшие количества соединений натрия или лития. Эти добавки:
- снижают температуру размягчения материала;
- улучшают его текучесть;
- не ухудшают функциональные свойства стекла.
Как это работает: от древности до наших дней
Подход исследователей повторяет принцип, который люди использовали веками при изготовлении обычного силикатного стекла. Ещё в древности мастера заметили: если добавить в стекломассу определённые вещества, материал становится податливее — его легче плавить и формовать.
Теперь тот же принцип применили к высокотехнологичным гибридным МОКС‑стёклам. Это открывает новые возможности для проектирования материалов с заданными свойствами.
«Стекло было частью человеческой цивилизации на протяжении тысячелетий, — отмечает доктор Доминик Кубицки из Бирмингемского университета. — От древней Месопотамии до современных оптоволоконных кабелей — небольшие количества химических модификаторов упрощают обработку стекла и меняют его функциональные свойства. Наше открытие открывает новые возможности для создания высокоэффективных материалов будущего».
Что показали исследования?
Чтобы понять механизм действия добавок, учёные провели серию экспериментов:
- Высокотемпературный твердотельный ядерный магнитный резонанс показал, как ионы натрия встраиваются в структуру стекла.
- Вычислительное моделирование на основе искусственного интеллекта позволило уточнить детали: оказалось, что натрий не просто заполняет пустоты, а замещает некоторые атомы цинка в структуре. Это слегка ослабляет связи, делая материал более текучим без потери ключевых свойств.
Особенно перспективным оказалось одно из известных МОКС‑стёкол — ZIF‑62. После модификации его можно расплавить и охладить, сохранив часть внутренней пористости. Это делает материал пригодным для:
- создания газовых мембран;
- разделения газовых смесей;
- использования в катализе.
«Наш подход основан на модификации традиционных силикатных стёкол, — поясняет профессор Себастьян Хенке из Дортмундского технического университета. — Мы разрушаем их сетчатую структуру, чтобы изменить характеристики плавления и механические свойства. Наше исследование показывает, что тот же принцип работает и для гибридных металлоорганических стёкол. Это приближает их применение в реальном производстве — от улавливания углерода до создания новых катализаторов».
Перспективы и дальнейшие шаги
Полученные результаты дают основу для разработки индивидуальных МОКС‑стёкол с заданными свойствами: например, с повышенной пористостью для улавливания конкретных газов или с улучшенной прочностью для промышленного использования.
Однако впереди ещё много работы. Исследователи планируют:
- повысить стабильность МОКС‑стёкол при длительной эксплуатации;
- лучше прогнозировать поведение материалов в реальных условиях (при перепадах температур, влажности, механических нагрузках);
- оптимизировать составы для конкретных задач — от экологических проектов по улавливанию CO2 до водородной энергетики.
Это открытие — не просто лабораторный успех. Оно прокладывает путь от научных исследований к реальному производству и может сыграть важную роль в решении глобальных задач: борьбе с изменением климата, развитии экологически чистых технологий и создании новых промышленных материалов.