Ученые Киотского университета на один шаг приблизились к разработке пористых материалов, которые могут изменять и сохранять свою форму - функция, известная как эффект памяти формы.
Материалы с памятью формы находят применение во многих областях. Например, их можно имплантировать в тело, а затем заставить изменить форму для выполнения определенной функции, например, служить каркасом для регенерации костной ткани. Эффект памяти формы хорошо задокументирован для некоторых материалов, включая керамику и металлические сплавы. Но это редко и плохо изучено в кристаллических пористых материалах.
Теперь Сусуму Китагава из Института комплексных наук о клеточных материалах Киотского университета и его коллеги в Японии, Ирландии и США продемонстрировали эффект памяти формы в гибком металлическом органическом материале - это всего лишь второе подобное наблюдение за всю историю. Они описывают свои выводы в журнале Science Advances.
Кристаллы были получены путем растворения смеси химикатов и гексагидрата нитрата цинка в обычном растворителе, называемом диметилформамидом, при 120°C в течение 24 часов. Используя рентгеновскую технику, называемую монокристаллической рентгеновской дифракцией, команда изучила структуру кристаллов. Они обнаружили, что они сформированы из слегка искаженных решеток в форме лопастного колеса, состоящих из центральных ионов цинка, связанных с окружающими органическими молекулами. Эта «альфа-фаза» кристалла имела пористость 46%, что означает, что 46% его объема было доступно для приема новых молекул; свойство, которое делает пористые материалы пригодными для различных применений.
Когда команда нагревала альфа-кристалл при 130°C в вакууме в течение 12 часов, кристалл стал более плотным, его решетки стали более искаженными, а его пористость уменьшилась всего до 15%. Они назвали эту фазу кристалла бета-фазой.
Затем к кристаллу добавили углекислый газ при температуре -78°C. Углекислый газ адсорбировался в поры кристалла, и форма кристалла изменилась на менее искаженные решетки, чем в бета-фазе. Доступный объем для приема гостевых молекул увеличился до 34%. Когда команда добавляла и удаляла углекислый газ из кристалла в течение десяти последовательных циклов, они обнаружили, что он сохранил свою форму. Они назвали эту фазу кристалла гамма-фазой «памяти формы».
Добавление азота или монооксида углерода при различных температурах также вызывало превращение кристалла из бета-фазы в гамма-фазу.
Команде удалось вернуть кристалл из гамма-фазы обратно в бета-фазу, нагревая его при 130°C в вакууме в течение двух часов. Чтобы вернуться в альфа-фазу, гамма-фазу кристалла вымачивали в диметилформамиде в течение пяти минут.
Проведенный командой анализ кристалла позволил им лучше понять, как его функции меняются вместе со структурой. Исследователи отмечают, что их работа может стать основой для создания большего количества образцов пористых материалов с памятью формы.