Materialen die met bestaande methoden niet te verkrijgen zijn, kunnen worden geproduceerd met een solide, nanogestructureerd silica-oplosmiddel. Wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau presenteerden een innovatieve benadering van de productie van stoffen met unieke fysische en chemische eigenschappen.

Een team van natuurkundigen uit Krakau (Polen) is erin geslaagd een flexibele methode te ontwikkelen om vaste, tweedimensionale silica-oplosmiddelen om materialen te produceren met unieke optische, magnetische en structurele eigenschappen. De term 'vast oplosmiddel' betekent hier een stof die, wanneer ondergedompeld in een oplossing van de juiste moleculen, bindt ze aan het oppervlak in strikt gedefinieerde verhoudingen en op een gedefinieerde manier. Deze prestatie is het werk van een team onder leiding van Dr. Lukasz Laskowski van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau. De resultaten van het jarenlange werk van het team zijn zojuist gepresenteerd in de International Journal of Molecular Sciences .

Nieuwe materialen worden vaak geproduceerd door specifieke atomen of chemische moleculen op een geschikt substraat af te zetten, zoals silica of koolstof. Het probleem hier, echter, bepaalt hoe de moleculen worden afgezet. De moeilijkheid is gemakkelijk te begrijpen aan de hand van een eenvoudig voorbeeld. Neem een ​​rubberen bal, bedek het met lijm en gooi het in wat veren. Als je de bal eruit haalt, je merkt dat er op sommige plaatsen meer veren zijn dan op andere aan het oppervlak. De reden voor deze situatie is het feit dat er geen controle is over hoe individuele veren aan de bal blijven plakken.

"In de moleculaire techniek, de situatie is nog ingewikkelder, " zegt Dr. Laskowski en stelt de kwestie voor:"Stel dat je na jaren van onderzoek een fijne manier hebt gevonden om de afstand tussen de veren die aan de rubberen bal vastzitten te regelen. Wat zou er gebeuren als we plotseling geen veren meer zouden moeten plakken, maar, laten we zeggen, glazen kralen? Je zou waarschijnlijk de lijm moeten vervangen. Het veranderen van de lijm en het gelijmde element zou betekenen dat er nieuwe methoden zouden moeten worden bedacht om de afstand tussen de opgeplakte elementen te beheersen. Opnieuw, dit zou een aantal jaren van onderzoek vergen, die niet per se succesvol zou zijn."

De natuurkundigen van Krakau, gefinancierd door het Poolse Nationale Wetenschapscentrum, besloten om het hierboven beschreven probleem op de volgende manier op te lossen. In plaats van te worstelen met opeenvolgende zoektochten naar nieuwe methoden om allerlei verschillende ionen of deeltjes uniform op dragers af te zetten, ze ontwikkelden een methode om een ​​silicasubstraat te coaten met verankeringseenheden. Hier, elk moleculair anker is aan één zijde gebonden aan het substraat, terwijl de andere kant een ion of een molecuul van een specifiek type uit de omgeving kan vangen. Wat vooral belangrijk is, is dat deze methode het mogelijk maakt om statistische controle te behouden over de verdelingsdichtheid van de ankers op het oppervlak van de drager. Het probleem van het ontwerpen van nieuwe materialen is dus radicaal vereenvoudigd. Momenteel, het belangrijkste punt is de relatief eenvoudige en snelle ontwikkeling van een anker waarvan het ene uiteinde de momenteel vereiste ionen of moleculen aantrekt.

"In onze methode de sleutelrol van het vaste oplosmiddel wordt gespeeld door nanostructuren van silica. We produceren ze onder zodanige omstandigheden dat wanneer ze zich vormen, ze worden onmiddellijk gedekt door een regelmatig raster van verankeringseenheden met een dichtheid die strikt is aangepast aan onze huidige behoeften, " legt Dr. Magdalena Laskowska (IFJ PAN) uit.

De mogelijkheid om de afstand tussen ankers statistisch te controleren, die bestaat in het stadium van de productie van het silica-oplosmiddel, stelt wetenschappers in staat om precies de hoeveelheid stof te selecteren die op het oppervlak van de silicadeeltjes is gebonden. Tegelijkertijd, het wordt mogelijk om controle te behouden over de interacties van de moleculen die door de ankers worden gevangen en zelfs over hun oriëntatie.

"In traditionele processen voor het produceren van nieuwe materialen, moleculen van bepaalde chemische verbindingen kunnen zodanig op een oppervlak worden afgezet dat hun moleculaire structuur verandert. De moleculen verliezen dan vaak hun eigenschappen en worden vrijwel onbruikbaar. Dit gebeurt wanneer moleculen aan het substraat binden met behulp van fragmenten die hun fysische of chemische eigenschappen bepalen. Echter, we kunnen deze weerbarstige moleculen nemen en het aantal ankers op een vast oplosmiddel zo verdichten dat de moleculen, na binding, nog steeds actieve gebieden hebben en hun oorspronkelijke functionaliteit behouden, " legt promovendus Oleksandr Pastukh (IFJ PAN) uit.

Wanneer een geschikt bereid silica-oplosmiddel wordt ondergedompeld in een oplossing met de doelionen/deeltjes, de ankers op het oppervlak vangen en binden ze, wat spontaan leidt tot de veronderstelde vorming van de moleculaire structuur. Het nieuw gevormde materiaal hoeft nu alleen nog maar te worden gefilterd, gewassen met een oplosmiddel om vuil te verwijderen, en gedroogd.

Door de technologie te beheersen voor het produceren van vaste oplosmiddelen met nauwkeurig gecontroleerde ankerverdeling, konden de IFJ PAN-onderzoekers het traditionele proces van het ontwerpen en synthetiseren van materialen omkeren. In plaats van reeds vervaardigde materialen te onderzoeken om er toepassingen voor te vinden, de Krakau-onderzoekers leren eerst over de huidige behoeften, bijvoorbeeld, in opto-elektronica of fotonica, dan met deze in gedachten, ontwerp de eigenschappen van het materiaal, bepalen de moleculaire structuur, en uiteindelijk een stof synthetiseren met precies de vereiste eigenschappen. Tijdens de synthese wordt een sleutelrol wordt vaak gespeeld door een vast oplosmiddel, waarmee het mogelijk is om de verhoudingen tussen moleculen die deelnemen aan de reactie met buitengewone precisie te regelen.

"Als het materiaal eenmaal is geproduceerd, we testen het om de feitelijke fysische en chemische eigenschappen te vergelijken met de vereiste eigenschappen. Als er afwijkingen zijn, we herhalen de synthese met licht gewijzigde parameters. Als dat niet helpt, we maken aanpassingen in de moleculaire ontwerpfase, " Promovendus Andrii Fedrochuk (IFJ PAN) legt het nader uit.

De methode die gebruik maakt van silica-oplosmiddel met nanostructuur is bijzonder interessant vanwege de mogelijkheid om materialen te produceren met unieke niet-lineair-optische eigenschappen, bijvoorbeeld, met een nauwkeurig afgestemde tweede of derde harmonische component van licht (wat betekent dat de lichtgolf die het materiaal verlaat een dubbele of driedubbele frequentie heeft ten opzichte van de golf die op het materiaal valt). Ook in de geneeskunde ontstaan ​​interessante toepassingen. Het wordt mogelijk om nieuwe materialen te ontwikkelen waarmee de moleculen hun sterke biocide eigenschappen kunnen behouden wanneer ze worden toegevoegd aan tandvullingen of verven.