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科学家创造索烃分子的软性晶体,有望轻松吸附和解吸CO₂气体

前瞻网    2021-10-16 16:19

 

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理化学研究所新兴物质科学中心和东京大学科学家的研究小组创造了一种不寻常的材料——由被称为索烃(catenanes)的分子所组成的软性晶体,其行为方式新颖,可用于捕捉二氧化碳分子的薄膜等应用。

索烃是一种分子类型,其中两个或更多的环交错在一起,就像魔术师在表演时使用的环一样,这些环还可以相互滑动,产生构象变化,可以赋予材料有趣的特性。这些类型的分子在自然界中被发现,它们经常作为分子机器发挥作用。到目前为止,已经创造出了聚索烃的链(polycatenanes),但是科学家们从来没有探索过由这些分子组成的三维晶体。

于是该小组开始探索这个问题,并通过在溶剂中生长索烃和钴离子的晶体创造了一种新材料。通过与钴离子形成配位键来仔细控制索烃分子的排列,研究人员认为可能会创造出一个几乎完全由索烃组成的三维网络。

然后,研究人员使用单晶X射线衍射法来研究这种软性晶体的结构。

研究人员基本上是在探索这种材料可能具有的属性类型,但是他们对分析的结果感到惊讶。首先,与预期一致,研究发现按重量计算,索烃占晶体的90%以上。有趣的是,还发现它是多孔的,可以吸附溶剂或气体分子,并且孔的形状随着客体分子进入或离开结构而改变。

此外,使用纳米压痕技术研究机械性能时,研究着发现该材料在受到机械压力时很容易变形——它的杨氏模量(衡量其变形难易程度的指标)与聚丙烯(一种用于包装材料和其他用途的塑料)的模量相当。

更让人惊讶的是,在消除力之后,它又恢复到原来的形状,没有损坏。此外,当试图压缩它时,发现它在一个特定的方向上压缩得最厉害。研究人员对其可变形的性质进行解释,实际上,索烃分子的环在滑动,允许材料压缩。

研究人员认为,这些结果可能会导致创新的多孔材料产生,这些材料可以吸附和解吸气体分子,如二氧化碳,并且可能只需用手指捏住和释放它们就可以。

题为An elastic metal–organic crystal with a densely catenated backbone的研究论文发表在《自然》杂志上。

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责任编辑: 4150ZYN

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