Hoe laat water een spons achter?

In een nieuwe studie, wetenschappers beantwoorden deze vraag in detail voor een poreus, kristallijn materiaal gemaakt van metaal en organische bouwstenen, in het bijzonder kobalt (II) sulfaat heptahydraat, 5-aminoisoftaalzuur en 4, 4'-bipyridine.

Met behulp van geavanceerde technieken, onderzoekers bestudeerden hoe deze kristallijne spons van vorm veranderde toen hij van een gehydrateerde toestand naar een gedehydrateerde toestand ging. De waarnemingen waren uitgebreid, waardoor het team kan "zien" wanneer en hoe drie individuele watermoleculen het materiaal verlieten terwijl het uitdroogde.

Dit soort kristallijne sponzen behoren tot een klasse van materialen die metaal-organische raamwerken (MOF's) worden genoemd, die potentieel hebben voor toepassingen zoals het opvangen van verontreinigende stoffen of het opslaan van brandstof bij lage druk.

"Dit was een hele mooie, gedetailleerd voorbeeld van het gebruik van dynamische in-situ röntgendiffractie om de transformatie van een MOF-kristal te bestuderen, " zegt Jason Benedictus, doctoraat, universitair hoofddocent scheikunde aan de universiteit van Buffalo College of Arts and Sciences. "We initiëren een reactie - een uitdroging. Dan volgen we het met röntgenstralen, kristalstructuren oplossen, en we kunnen werkelijk zien hoe dit materiaal transformeert van de volledig gehydrateerde fase naar de volledig gedehydrateerde fase.

"In dit geval, het gehydrateerde kristal bevat drie onafhankelijke watermoleculen, en de vraag was eigenlijk:hoe ga je van drie naar nul? Verlaten deze watermoleculen één voor één? Gaan ze allemaal tegelijk weg?

"En we ontdekten dat wat er gebeurt, is dat één watermolecuul heel snel vertrekt, waardoor het kristalrooster samendrukt en draait, en de andere twee moleculen eindigen samen. Ze lekken tegelijk uit, en dat zorgt ervoor dat het rooster losraakt maar samengedrukt blijft. Al die bewegingen die ik beschrijf - je zou geen enkel inzicht hebben in dat soort beweging zonder dit soort experimenten die we uitvoeren."

Het onderzoek werd op 23 juni online gepubliceerd in het tijdschrift structurele dynamiek . Benedictus leidde de studie met de eerste auteurs Ian M. Walton en Jordan M. Cox, UB scheikunde Ph.D. afgestudeerden. Ook andere wetenschappers van de UB en de University of Chicago droegen bij aan het project.

Begrijpen hoe de structuren van MOF's - stap voor stap - veranderen tijdens processen zoals uitdroging is interessant vanuit het oogpunt van fundamentele wetenschap, zegt Benedictus. Maar dergelijke kennis kan ook helpen bij het ontwerpen van nieuwe kristallijne sponzen. Zoals Benedictus uitlegt, hoe meer onderzoekers kunnen leren over de eigenschappen van dergelijke materialen, hoe gemakkelijker het zal zijn om nieuwe MOF's op maat te maken die zijn toegespitst op specifieke taken.

De techniek die het team heeft ontwikkeld en gebruikt om de transformatie van het kristal te bestuderen, biedt wetenschappers een krachtig hulpmiddel om dit soort onderzoek vooruit te helpen.

"Wetenschappers bestuderen vaak dynamische kristallen in een omgeving die statisch is, " zegt co-auteur Travis Mitchell, een scheikunde Ph.D. student in het laboratorium van Benedictus. "Dit beperkt de reikwijdte van hun waarnemingen sterk tot voor en na een bepaald proces. Onze bevindingen tonen aan dat het observeren van dynamische kristallen in een omgeving die ook dynamisch is, wetenschappers in staat stelt waarnemingen te doen terwijl een bepaald proces plaatsvindt. Onze groep ontwikkelde een apparaat waarmee we de omgeving ten opzichte van het kristal kunnen controleren:we kunnen continu vloeistof rond het kristal laten stromen terwijl we gegevens verzamelen, die ons informatie geeft over hoe en waarom deze dynamische kristallen transformeren."

De studie werd ondersteund door de National Science Foundation (NSF) en het Amerikaanse ministerie van Energie, onder meer via de ChemMatCARS-faciliteit van de NSF, waar veel van het experimentele werk plaatsvond.

"Dit soort experimenten duurt vaak dagen om uit te voeren op een laboratoriumdiffractometer, " zegt Mitchell. "Gelukkig, onze groep was in staat om deze experimenten uit te voeren met behulp van synchrotronstraling bij NSF's ChemMatCARS. Met synchrotronstraling, we waren in staat om binnen enkele uren te meten."