Процесс, на создание которого ушло более трех лет и который был описан в выпуске журнала Nature Communications за декабрь 2013 года, на данный момент привел к созданию более 60 новых семейств материалов, с потенциалом для многих других. Ключевой катализатор процесса пригоден для вторичной переработки, что делает его «зеленой» технологией.
Четыре заявки на патент, связанные с открытием, находятся на рассмотрении. VeruTEK, химическая инновационная компания, базирующаяся в Южном Виндзоре, Коннектикут., получил права на некоторые материалы.
«Это определенно самый захватывающий проект, в котором я участвовал за последние 30 лет», – говорит заслуженный профессор Стивен Л. Суйб, главный исследователь проекта. "То, что мы сделали, похоже на открытие нового насекомого, только теперь существует ряд семейств этих существ, которые могут быть обнаружены. Это круто."
Исследование – первая крупная работа, выполненная в новом университетском центре передового опыта GEMS. Центр, получивший свое название от аббревиатуры Зеленые эмульсии, мицеллы и поверхностно-активные вещества, расположен на химическом факультете Колледжа свободных искусств и наук.
Исследования Суиба включают создание однородных или мономодальных мезопористых оксидов металлов с использованием переходных металлов, таких как марганец, кобальт и железо. Мезопористый описывает размер пор в материале.
В этом случае они имеют диаметр от 2 до 50 нанометров и равномерно распределены по поверхности материала, подобно тому, как это можно было бы увидеть, если использовать булавку, чтобы проткнуть множество отверстий в материале. Только процесс UConn позволяет ученым использовать химию оксида азота для изменения диаметра «штифта», чтобы изменить размер отверстий. Этот уникальный подход помогает сдерживать химические реакции и обеспечивает беспрецедентный контроль и гибкость.
«Профессор Суиб и его коллеги сообщают о неожиданном и новом пути к образованию мезопористых оксидов металлов», – говорит Прабир Датта, выдающийся университетский профессор химии и биохимии в Государственном университете Огайо. "Открытие профессора Суиба и распространение мезопористости на гораздо более широкий спектр оксидов металлов неизбежно выведут эту область на новый уровень со всевозможными потенциальными применениями, что сделает это исследование наиболее важным достижением в материаловедении."
Наличие материалов с однородными микроскопическими порами позволяет целевым молекулам определенного размера проникать в материал и выходить из него, что важно в таких приложениях, как адсорбция, датчики, оптика, магнитные и энергетические продукты, такие как катализаторы, содержащиеся в топливных элементах.
«Когда люди думают об этих материалах, они думают о системах с замком и ключом», – говорит Суиб. "С некоторыми ферментами у вас должны быть поры определенного размера и формы. С помощью этого процесса вы теперь можете сделать резервуар для определенных белков или ферментов, чтобы они могли проникать в поры и специфически связываться и реагировать. Это надежда – сделать поры, которые позволят таким материалам подходить, чтобы иметь возможность сделать поры, которые нужны ученому."
В течение последних 20 лет ученые полагались на давнюю методику изготовления мезопористых материалов на водной основе, которая была впервые разработана Mobil Oil. Эта процедура, хотя и новаторская, когда она была открыта, имеет ограничения.
Размер пор в материале трудно изменить; стенки образующихся мезопористых структур аморфны; и стабильность основной системы ослабевает при воздействии высокой температуры, что ограничивает ее использование. Этот процесс также лучше всего работает только при использовании кремния или титана, в отличие от других металлов периодической таблицы.
Химики UConn пошли другим путем, решив заменить процесс на водной основе синтетическим химическим поверхностно-активным веществом, похожим на моющее средство, для создания мезопор. Уменьшая использование воды, добавляя поверхностно-активное вещество, а затем подвергая полученные наночастицы нагреванию, исследовательская группа обнаружила, что он может создавать термически контролируемые, термостойкие, однородные мезопористые материалы с очень прочными кристаллическими стенками. По словам Суиба, мезопоры создаются промежутками, которые образуются между организованными наночастицами, когда они группируются вместе. Команда обнаружила, что размер этих зазоров или пор можно регулировать – увеличивать или уменьшать – путем регулирования воздействия тепла на наноструктуру, что является важным достижением в процессе синтеза.
"Такой контроль распределения пор по размерам, увеличенного объема пор и термической стабильности беспрецедентен ,"команда написала в своем отчете.
Возможно, что не менее важно, команда обнаружила, что этот процесс может быть успешно применен к широкому спектру элементов таблицы Менделеева. Кроме того, поверхностно-активное вещество, используемое в синтезе, подлежит вторичной переработке и может быть повторно использовано после извлечения без ущерба для конечного продукта.
Осознавая важность своих выводов, команда Суиба сознательно ждала публикации своего отчета, пока не проверит различные приложения с использованием различных периодических элементов.
Даже сейчас команда считает, что это только верхушка.
«Мы разработали более 60 семейств материалов», – говорит Суиб. "Из каждого материала, который мы сделали, вы можете сделать десятки других похожих. Вы можете легировать их, добавляя небольшое количество примесей.
Вы можете изменить их свойства. Вы можете производить сульфиды в дополнение к оксидам.
Предстоит провести еще много исследований."
Исследование UConn финансировалось U.S.
Отделение фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики посредством гранта в размере 420 000 долларов США на три года. Суйб говорит, что один из членов исследовательской группы, Алтуг С. Пойраз, «чрезвычайно талантливый» аспирант, получающий докторскую степень в Калифорнийском университете, сыграл важную роль в успехе проекта. Пойраз провел бесчисленные недели, терпеливо исследуя различные подходы к процессу, пока команда не добилась успеха.
«Он действительно уникальный аспирант и, вероятно, лучший химик-синтетик, которого я когда-либо видел», – сказал Суиб, который также является директором Института материаловедения Университета Конна.
Суиб считает, что этот процесс будет привлекательным для промышленности, поскольку он прост, рентабелен и экологичен.