Цивилизация
Самарские ученые совместно с коллегами из Массачусетского технологического института (MIT) и Миланского университета разработали проводники на основе тетракарбоновой кислоты с тетратиафулваленовой основой и катионов редкоземельного металла лантана. Изменение соотношения органических молекул, ионов металла и растворителя, в котором происходит реакция, позволяет создавать кристаллические структуры с заданными свойствами. Полученные материалы способны захватывать молекулы газов и жидкостей, после чего их электропроводность меняется. Это свойство можно использовать при создании очень чувствительных и избирательных сенсоров и фильтров. Со статьей можно ознакомиться в журнале Chemical Science.
Исследования поддержаны Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда.
Исследуемые металл-органические материалы – полимерные сетки, в которых ионы металлов, как узлы, соединены органическими мостиками. Они могут сочетать в себе сразу несколько полезных свойств: рекордную пористость, при которой площадь пор на один грамм вещества сопоставима с футбольным полем, способность проводить электрический ток, ускорять химические реакции, восприимчивость к магнитному и электрическому полям и многое другое. В качестве органических сшивок могут выступать как короткие молекулы, так и длинные. Количество и расположение мостиков определяется зарядом и размером иона металла. Органические молекулы могут формировать разветвленный каркас с легко варьируемым размером пор: чем короче связующие звенья, тем мельче сетка. Полученные структуры способны избирательно захватывать и разделять молекулы газов и жидкостей, как губка или сито. Интересно, что впитывание молекул приводит к изменению электропроводности материала. Это редкое свойство может быть использовано для создания высокочувствительных и избирательных сенсоров.
Ученые из MIT синтезировали три таких материала на основе ионов лантана, сшитых молекулами тетракарбоновой кислоты с тетратиафулваленовой основой. Соли тетратиафулваленовых производных в некоторых случаях становятся сверхпроводниками. Изучение свойств этих веществ приближает ученых к открытию сверхпроводников, способных работать при температурах, близких к комнатной, чтобы сделать возможным их обширное использование в промышленности и быту. Сегодня рекордная температура для проявления свойств сверхпроводимости, -70 ˚C, наблюдается у сероводорода при очень высоком давлении. Сшивка из тетракарбоновой кислоты, в свою очередь, обеспечивает связь лантана с тетрафулваленом и вносит существенный вклад в геометрию вещества и настройку его способности к проведению электрического тока. Химики из Самары доказали, что изменения в соотношении лантана и органики, составе раствора, в котором проходит реакция, и его температуре позволяют менять укладку молекул. Еще одним важным открытием стали разные степени объединения электронной плотности соседних органических молекул, зависящие от взаимного расположения и расстояний между мостиками. Такое перекрывание способствует усилению проводимости тока в материале. Соответственно, меняя условия синтеза вещества, можно получать материалы с разными свойствами.
«В синтезированных полимерах мы обнаружили структуры, играющие роль несущих балок. Они добавляют материалу стабильность по отношению к механическим нагрузкам и влаге. Найденная зависимость проводимости от упаковки и взаимодействий друг с другом тетратиафулваленовых сшивок в каркасе открывает возможности тонкой настройки электропроводящих свойств. Полученные результаты окажутся полезны при создании новых стабильных электропроводных кристаллических материалов на основе металл-органических полимеров», – отмечает Евгений Александров, кандидат химических наук, заведующий лабораторией Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению Самарского государственного технического университета.
