Научные специалисты из германского Центра им. Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) смогли синтезировать новые материалы на основе металлоорганических каркасов (MOF), включающих экзотические элементы периодической таблицы Менделеева. Об этом сообщает портал Nanowerk. Перевод основных положений публикации представлен изданием Discover24.
Металлоорганика в современном мире быстро приобрела ауру «чудесного материала» благодаря своим особым свойствам: обширные внутренние поверхности MOF и настраиваемый размер пор находят применение в новых технологиях, например, при разделении материалов или хранении газов.
В то время как предыдущие варианты MOF в основном основывались на переходных металлах, таких как медь и цинк, ученые из HZDR открыли новые возможности для использования соединений с химическими элементами группы актиноидов в качестве основного неорганического компонента. Актиноидные металлические ионы, а именно – торий, уран, а также трансурановые нептуний и плутоний, среди прочего, могут способствовать более безопасной работе с радиоактивными материалами.
«Большинство элементов, составляющих последнюю строку периодической таблицы, искусственные. Они являются продуктом нейтронной бомбардировки или побочным продуктом ядерного реактора. В целом – это чрезвычайно опасные вещества, потому что все они радиоактивны, а в некоторых случаях и высокотоксичны», – объясняет доктор Мориц Шмидт из Института экологии ресурсов HZDR.
Его коллега д-р Юлиана Марц, рассказывая о деятельности исследовательской группы, отметила: «Наша главная задача – координационная химия или, другими словами, создание комплексов металлов с преимущественно органическими молекулами. Хорошие перспективы для новых применений вскоре заставили нас обратить внимание на элементы со сложными электронными оболочками – в первую очередь на редкоземельные металлы и, наконец, на актиноиды. Но пока мало что известно о трансурановых элементах, которые не встречаются в природе, таких как нептуний и плутоний».
В качестве органической основы исследователи HZDR использовали химически модифицированный антрацен – яркий пример полициклических ароматических углеводородов. Известно, что этот материал является лучшим органическим сцинтиллятором: когда через него проходит богатое энергией излучение, оно возбуждает его молекулы в результате процессов столкновения. Энергия возбуждения излучается в виде синего света.
«Вот почему наши каркасы светятся так же», – пояснил Шмидт. И они обладают еще одним особым свойством: шириной запрещенной зоны, которая является мерой энергетической разницы между валентной зоной и зоной проводимости.
Как уточнил д-р Шмидт, в случае полупроводников при очень низких температурах только валентная зона имеет носители заряда; и в этом состоянии материал -непроводящий. При подаче энергии ионы перемещаются в зону проводимости и, таким образом, запускают ток.
Измерения показали, что новый материал, созданный в HZDR, является одним из так называемых широкополосных полупроводников, которые особенно важны в силовой электронике и сенсорной технике. Благодаря таким особым свойствам, его можно использовать в качестве детектора ионизирующего излучения, а актиноиды, которые встроены в его структура, в то же время обеспечивают постоянный эталон внутреннего излучения.
Ранние варианты MOF, разработанные исследовательскими группами по всему миру, позволили синтезировать материалы, которые демонстрировали все большую внутреннюю поверхность и, следовательно, стали альтернативой активированному углю и цеолитам, например, при разделении материалов или каталитических процессах.
Их главное преимущество состоит в том, что модульная структура MOF позволяет реализовать различные сетевые топологии; кроме того, размер пор можно очень точно отрегулировать, выбрав соответствующий вариант для предполагаемого применения, например, как эффективные адсорбенты для очень специфического химического вещества.
Мерц и Шмидт пошли еще дальше, добавив своей работой новую грань в сфере синтетической химии. Они нашли возможности создания и применения MOF в области более безопасного хранения и обработки радиоактивных материалов. Таким образом, исследователи рассматривают возможность разработки специальной матрицы отходов, которая иммобилизует актиноиды в каркасе и продукты деления в его порах.