Евгений Александров
Сотрудник Самарского государственного технического университета вместе с иностранными коллегами разработал новое пористое соединение и нашел способ настраивать его свойства. Материал можно применять для ликвидации последствий техногенных аварий и в бытовых целях, например, при фильтрации воды. Работа поддержана Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда, а ее результаты опубликованы в журнале Journal of the American Chemical Society.
«В этой статье мы на основании правил из нашей базы данных предсказали существование серии новых разнообразных по строению органических монокристаллов. После этого была исследована их структура и настроены требуемые свойства: высокая упорядоченность, нерастворимость, большая емкость для поглощения растворителя и молекул йода с обратимым набуханием и пятикратным увеличением объема кристалла», — рассказал один из авторов статьи Евгений Александров, руководитель проекта, кандидат химических наук, заведующий лабораторией синтеза новых кристаллических материалов Самарского государственного технического университета.
Йод в виде свободного вещества токсичен: его смертельная доза составляет всего 3 грамма. Он вызывает поражение почек и сердечно-сосудистой системы. Также существует радиоактивный йод-131, который особенно опасен для человека, поскольку накапливается в щитовидной железе и вызывает ее поражение. Поэтому важно контролировать содержание элемента в воде и воздухе.
В смоделированных в СамГТУ и синтезированных в Дартмутском колледже (США) пористых органических каркасах молекулы «скреплены» между собой с помощью водородных связей, что делает структуру устойчивой в упорядоченном (кристаллическом) состоянии. Так как водородные связи не самые прочные, кристаллы могут растворяться в воде, поэтому соединение нельзя использовать для ее фильтрации. Авторы решили изучить возможность соединения этих же атомов друг с другом с помощью более прочных связей в составе гибких сшивок на основе серы. При этом сохраняется исходный порядок упаковки и пористость. Такие сшивки, например, используются в производстве резины из каучука. Они обладают необходимой прочностью и гибкостью и способны выступать в роли молекулярных пружин. Такая структура может обратимо вытягиваться и сжиматься с многократным изменением размеров.
Исследователи подсчитали, что общее число комбинаций упорядоченного связывания составляет 2225 вариантов с использованием 68 мостиков (сшивок), если учитывать только длину мостиков. Но из этого многообразия не трудно образовать лишь 17 вариантов. Остальные оказались невозможными из-за размеров и форм пор и каналов в исходной структуре. При дальнейшем отборе выяснилось, что всего четыре из 17 сшитых структур обладают нужными свойствами. Они могут поглощать и после обратно выделять йод и при этом увеличиваться в размерах более чем в два раза, сохраняя свою структуру.
Ученые отмечают, что получить органические каркасы с кристаллической структурой и заданными строением и свойствами очень сложно, поэтому результаты работы важны для последующих исследований. На их основе можно будет разработать достаточно гибкие и пористые соединения, которые найдут широкое применение в промышленности и быту.
