التكنولوجيا المعمارية القديمة تلهم نافذة على مستقبل النانو

تتراوح الأطر العضوية المعدنية الجديدة المصممة والمصنعة باستخدام هذا النهج من المواد المسامية الضيقة مع إمكانية فصل الغاز إلى الهياكل الكبيرة المسامية مع إمكانية استخدامها في التطبيقات الطبية نظرًا لقدراتها الممتازة على امتصاص الأكسجين.

وقال ألكسندر سابيانيك، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة محمد الداودي الذي قاد الدراسة: "أحد الأهداف الأكثر تحديًا في تصميم الهياكل الجديدة هو التحكم الدقيق في تكوين الهياكل". "بالنسبة لكيمياء الشبكة (تجميع وحدات البناء الجزيئية في مواد بلورية مسامية، مثل الأطر العضوية المعدنية)، أدرك فريق البحث أن مفهوم القالب المركزي قد يوفر تحكمًا دقيقًا."

إن نقطة البداية للبحث هي الهياكل المعدنية العضوية الشبيهة بالزيوليت (ZMOFs)، والتي عادةً ما تحتوي على نوافذ خماسية محاطة بكتل بناء تسمى رباعيات السطوح الفائقة (STs). وقال سابيانيك: "هدفنا هو التحكم في ترتيب STs من هذه الطوبولوجيا المعروفة إلى تلك التي لم يتم الإبلاغ عنها من قبل من قبل باستخدام هذه اللبنات الأساسية".

قام فريق البحث بتطوير عوامل توجيه الهيكل المركزي (cSDA) للتحكم في محاذاة ST وتشكيل نوافذ ZMOF بأشكال وأحجام جديدة. تم تصميم مجموعة واحدة من cSDA لتشديد الزاوية بين خلايا ST المجاورة، وبالتالي تشكيل نافذة صغيرة. تهدف مجموعة أخرى من cSDA إلى توسيع الزاوية بين وحدات ST، وبالتالي تشكيل نافذة أكبر.

قالت مارينا بارسوكوفا، زميلة ما بعد الدكتوراه في فريق الداودي: "يعد حجم وحجم مسام الأطر العضوية المعدنية من العوامل المهمة التي تؤثر على تطبيقها. تُظهر النافذة الكبيرة ZMOF (Fe-sod-ZMOF-320) التي صممها الفريق أعلى قدرة على امتصاص الأكسجين بين الأطر العضوية المعدنية المعروفة. هذه الخاصية لها تطبيقات مهمة في المجال الطبي والفضائي، وهي مهمة في الصناعة لأن السعة العالية يمكن أن تزيد من كمية الأكسجين المخزن في زجاجات الأكسجين، أو تجعل زجاجات الأكسجين أصغر." وأسهل في النقل، كما أن نفس ZMOF يتفوق أيضًا في تخزين الميثان والهيدروجين، وكلاهما وقود محتمل. كما أظهرت مركبات ZMOF الأخرى في السلسلة ذات النوافذ الضيقة إمكانية فصل الغاز عن المخاليط الجزيئية.

وقال فنسنت جيليرم، عالم الأبحاث في مجموعة الداوودي، إن مفهوم cSDA يوفر العديد من المزايا التي يمكن أن تحسن أداء الأطر العضوية المعدنية. وقال: "تقوم cSDA بفصل النوافذ الكبيرة إلى نوافذ أصغر، وتظهر نتائجنا الأولية أن هذا سيساعد على الفصل الكيميائي. كما أنها توفر أسطح مسام داخلية إضافية، مما يساعد على تحسين تخزين الغاز، وتقوية إطار MOF، وبالتالي تحسين استقرار المادة. يعد النهج المركزي الذي قمنا بتطويره بمثابة استراتيجية قوية أخرى لكيمياء الشبكات، مما يوفر إمكانات كبيرة لتصنيع الأطر العضوية المعدنية عند الطلب للتطبيقات في مجالات أمن الطاقة والاستدامة البيئية."