(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van de Universiteit van Glasgow hebben een moleculaire 'LEGO-toolkit' ontwikkeld die kan worden gebruikt om een ​​groot aantal nieuwe en functionele chemische verbindingen samen te stellen.

Met moleculen als bouwstenen hebben ze een moleculaire steiger kunnen bouwen op basis van kleine (nanoschaal) opslagkubussen. Deze nieuwe ‘designerroute’ opent de deur naar veel nieuwe verbindingen die, mogelijk, kunnen fungeren als de ionensensoren, opslagapparaten, en katalysatoren van de toekomst.

Onderzoekers van de afdeling Scheikunde creëerden holle kubusgebaseerde raamwerken van polyoxometalaten (POM's) - complexe verbindingen gemaakt van metaal- en zuurstofatomen - die aan elkaar kleven als LEGO-stenen, wat betekent dat een hele reeks goed gedefinieerde architecturen met groot gemak kunnen worden ontwikkeld.

De onderzoekers kozen voor een ‘wielvormig’ polyoxometalaatmolecuul, met een gat van 1 nanometer breed, die als een 'venster' naar het molecuul fungeert. De cyclische verbindingen assembleren zichzelf in water om prachtige kubische eenkristallen te vormen.

De 'vensters' van de ringvormige bouwstenen leiden tot zeer grote interne poriën, wat betekent dat deze nieuwe verbindingen effectief kunnen werken als opslagdozen voor ionen en kleine moleculen.

Goed gedefinieerde chemische architecturen zijn essentieel voor veel functionele materialen; daarom zouden zeer grote POM-raamwerken kunnen worden gebruikt als ionenbrandstofcellen, batterijen, sensoren, katalysatoren en andere nieuwe nanotechnologieën.

Professor Lee Cronin, Gardiner Leerstoel Scheikunde, die de studie leidde, zei:"Het vermogen om zeer robuuste anorganische structuren op een LEGO-achtige manier te bouwen, is een enorme zegen voor chemici, biedt veel potentiële toepassingen.”

In de gemelde verbinding, mangaanionen verbinden de wielvormige moleculen met elkaar tot de moleculaire steiger. Positief geladen kalium- en lithiumionen zijn ook in het raamwerk opgenomen om de negatieve lading van de metaaloxide-ionen in het POM-wiel in evenwicht te brengen. De raamwerken zelf kunnen ook worden ‘afgestemd’ door de lading op de mangaanionen te veranderen.

De moleculaire detectieaspecten van dit nieuwe materiaal zijn gerelateerd aan de kalium- en lithiumionen, die losjes in holtes in het raamwerk zitten. Deze kunnen worden verdrongen door andere positief geladen ionen zoals overgangsmetalen of kleine organische moleculen, terwijl tegelijkertijd het raamwerk intact blijft.

Deze kenmerken benadrukken enkele van de vele mogelijke toepassingen en toepassingen van POM-frameworks, maar hun belangrijkste toepassing is hun gebruik als katalysator - een molecuul dat wordt gebruikt om een ​​chemische reactie te starten of te versnellen waardoor deze efficiënter wordt, kostenbesparend en milieuvriendelijk.

Prof Cronin voegde toe:"Hoewel katalysatoren van enorm industrieel belang zijn, veel van de katalysatoren die tegenwoordig in de industrie worden gebruikt, zijn nog steeds duur en ‘vuil’, het creëren van milieubelastend afval.”

"Ons onderzoek richt zich op het ontwerp en de synthese van functionele moleculaire architecturen op nanoschaal die kunnen worden gebruikt als industriële katalysatoren die energiezuiniger en milieuvriendelijker zijn dan de huidige materialen."

"Uitgebreide modulaire kaders die anorganische bouwstenen zoals deze bevatten, vertegenwoordigen een nieuwe klasse van afstembare materialen met 'actieve sites' die zijn ontworpen om te reageren op gastintegratie."

“Met een enorme verscheidenheid aan POM-wielmoleculen beschikbaar, verdere studies zijn nodig om deze familie van materialen te bouwen op basis van het algemene ontwerpproces dat is vastgesteld. Maar bovendien willen we de katalytische, detectie- en gastuitwisselingsmogelijkheden in meer detail.”

Het onderzoek wordt gerapporteerd in de nieuwste editie van het tijdschrift Natuurchemie .