UPTON, NY. Большинство материалов уплотняются или распадаются под давлением, но ученые, работающие в рамках международного сотрудничества Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Школы химических наук Бирмингемского университета в Англии, обнаружили некоторые материалы, которые расширять. Эти необычные материалы могут найти применение в качестве «молекулярных губок» для впитывания химических загрязнителей или даже радиоактивных отходов.
Идея, по словам физика Томаса Фогта, ведущего ученого из Брукхейвена, заключается в том, что вы вдавливаете жидкость в крошечные поры в материале, тем самым увеличивая его объем. Этот дополнительный объем также может позволить немного более крупным молекулам или атомам, таким как загрязняющие вещества, проникать в расширенные поры. «Когда давление сбрасывается и материал сжимается, загрязняющие вещества остаются внутри», - сказал он.
Фогт и его сотрудники - Йонгдже Ли, постдоктор из Брукхейвена, Джон Пэрис, химик из Университета Стоуни-Брук, Джозеф Хрильяк, химик из Бирмингемского университета, и Жилберто Артиоли из Миланского университета в Италии - описывают один такой материал в предстоящем выпуске Журнала Американского Химического Общества.
Все материалы представляют собой цеолиты - твердые вещества, содержащие алюминий, кремний и кислород, с трехмерной структурой, содержащей регулярно расположенные поры в молекулярном каркасе. Эти нанопоры (названные так из-за их крошечного размера, порядка миллиардных долей метра) делают цеолиты очень полезными для всасывания малых молекул, ионов или газов - так же, как губка всасывает воду.
Поры обычно заполнены положительно заряженными ионами, такими как кальций или натрий, и молекулами воды. Поэтому говорят, что цеолиты гидратированы. Многие из них в настоящее время используются в качестве смягчителей воды и моющих средств.
Предыдущие исследования показали, что некоторые цеолиты обладают необычными свойствами под давлением. Совместная группа исследовала эти свойства, когда они обнаружили один цеолит, который мог поглощать в два раза больше воды, чем обычно, - супергидратированный цеолит..
Используя технику под названием «дифракция порошка» в Национальном источнике синхротронного света в Брукхейвене (NSLS), команда расшифровала молекулярную структуру цеолита, которая впервые объясняет это необычное свойство и показывает, куда уходит лишняя вода.
Эксперименты проводились путем воздействия на материал повышающегося давления (от нормального атмосферного давления до 50 000 раз выше этого давления) в ячейке с алмазной наковальней. По сути, образец зажат между двумя алмазами, самым твердым веществом в мире, в крошечной камере, заполненной водой или другой жидкостью, чтобы равномерно передать давление во все стороны. Затем ученые бомбардируют образец интенсивным пучком рентгеновских лучей и анализируют, как этот луч дифрагирует или изгибается при отражении от образца. Затем с помощью компьютеров Ёнджэ Ли преобразовал дифракционную картину в трехмерную молекулярную структуру.
По мере того, как давление увеличивалось, сначала казалось, что материал сжимается, как и следовало ожидать. Но по мере того, как давление поднималось от 0,8 до 1,5 гигапаскалей (от 8 000 до 15 000 раз выше атмосферного давления), материал расширялся в двух из трех своих измерений. «Этого не должно было случиться, - сказал Фогт. «Обычно, когда вы что-то сжимаете, оно должно становиться меньше. Это становится больше». Когда давление превысило 1,5 гигапаскаля, материал снова сжался. Анализ молекулярной структуры показал, что при расширении в поры цеолита протискивались лишние молекулы воды.
Ученые предложили несколько способов использования необычного свойства, которое они называют расширением под давлением, которое встречается только у некоторых цеолитов. Одним из них было бы создание механизма «люка» для блокировки химических или радиоактивных загрязнителей. «Когда вы увеличиваете давление и материал становится больше, поры тоже становятся больше», - сказал Хрильяц. «Поэтому мы можем попытаться получить более крупные ионы или молекулы, такие как углеводороды, ртуть, свинец или даже радиоактивный стронций. Тогда, когда вы сбросите давление, пора станет меньше и задержит загрязняющие вещества внутри».
Ученые планируют продолжить свои исследования расширяющихся цеолитов, чтобы увидеть, сработает ли этот подход.
Это исследование финансировалось Министерством энергетики США, которое поддерживает фундаментальные исследования в различных научных областях.
Чтобы просмотреть веб-версию этого выпуска новостей с иллюстрациями, перейдите по адресу:
Брукхейвенская национальная лаборатория Министерства энергетики США (https://www.bnl.gov) проводит исследования в области физических, биомедицинских наук и наук об окружающей среде, а также в области энергетических технологий. Брукхейвен также строит и эксплуатирует крупные объекты, доступные университетским, промышленным и государственным ученым. Лаборатория находится под управлением Brookhaven Science Associates, компании с ограниченной ответственностью, основанной Университетом Стоуни-Брук и Battelle, некоммерческой организацией, занимающейся прикладными науками и технологиями.