Chemici van UCLA en Zuid-Korea rapporteren de "ultieme porositeit van een nanomateriaal, " wereldrecords behalen voor zowel porositeit als koolstofdioxide-opslagcapaciteit in een belangrijke klasse van materialen die bekend staat als MOF's, of metaal-organische raamwerken.

MOF's, soms beschreven als kristallen sponzen, hebben poriën - openingen op nanoschaal waarin gassen kunnen worden opgeslagen die gewoonlijk moeilijk op te slaan en te transporteren zijn. Porositeit is cruciaal voor het samenpersen van grote hoeveelheden gassen tot kleine volumes en is een essentiële eigenschap voor het opvangen van kooldioxide.

Het onderzoek zou kunnen leiden tot schonere energie en het vermogen om warmtevasthoudende kooldioxide-emissies op te vangen voordat ze de atmosfeer bereiken en bijdragen aan de opwarming van de aarde, stijgende zeespiegel en de toegenomen zuurgraad van de oceanen.

Het onderzoek wordt op 23 juli gepubliceerd in de gedrukte editie van het tijdschrift Wetenschap en is momenteel beschikbaar in de online-editie van het tijdschrift.

"We rapporteren de ultieme porositeit van een nanomateriaal; we denken dat dit de bovengrens is of heel dicht bij de bovengrens voor porositeit in materialen, " zei de senior auteur van de krant, Omar Yagi, een UCLA-hoogleraar chemie en biochemie en lid van zowel het California NanoSystems Institute (CNSI) aan de UCLA en het UCLA-Department of Energy Institute of Genomics and Proteomics.

"Porositeit is een manier om veel te doen met weinig, " zei Yagi, die UCLA's Irving en Jean Stone leerstoel in Physical Sciences bekleedt en leidt het CNSI's Centre for Reticular Chemistry. "In plaats van alleen het buitenoppervlak van een deeltje te hebben, we boren kleine gaatjes om het oppervlak drastisch te vergroten."

Met hoofdauteur Hiroyasu (Hiro) Furukawa, co-auteur Jaheon Kim en collega's, Yaghi rapporteert over twee materialen die niet alleen het porositeitsrecord breken, maar doe dat met een extreem grote marge. De materialen zijn MOF-200, gemaakt aan de UCLA door Furukawa, een postdoctoraal wetenschapper in het laboratorium van Yaghi, en MOF-210, gemaakt aan de Soongsil University in Seoul in Zuid-Korea door Kim, een scheikundeprofessor en voormalig afgestudeerde student in Yaghi's laboratorium, en collega's.

"We hebben niet alleen stapsgewijze vooruitgang geboekt met MOF's, " zei Yagi, wiens onderzoek scheikunde overlapt, materiaalkunde en techniek. "Het bijzondere aan MOF-200 en MOF-210 is dat ze de limiet naderen van wat je in een materiaal kunt krijgen. Misschien kunnen we betere structuren ontwerpen, maar ze zullen niet gemakkelijk te maken zijn."

Uitgevonden door Yaghi in de vroege jaren 90, MOF's zijn als steigers gemaakt van gekoppelde staven, met poriën op nanoschaal die de juiste grootte hebben om koolstofdioxide op te vangen. De componenten van MOF's kunnen bijna naar believen worden gewijzigd, en Yaghi's laboratorium heeft honderden MOF's gemaakt, met een verscheidenheid aan eigenschappen en structuren.

Sinds 1999, MOF's hebben het record gehouden voor het hebben van de hoogste porositeit van welk materiaal dan ook. MOF's kunnen worden gemaakt van goedkope ingrediënten, zoals zinkoxide, een veelgebruikt ingrediënt in zonnebrandcrème, en tereftalaat, die wordt gevonden in plastic frisdrankflessen.

Yaghi ontdekte de sleutel tot het maken van zeer poreuze structuren, die hij en collega's in het tijdschrift rapporteerden Natuur in 2004 (MOF-177 brak het vorige porositeitsrecord, die sinds 1999 werd gehouden door Yaghi's MOF-5) en in Wetenschap in 2005. Sindsdien scheikundigen zijn in een race om steeds hogere oppervlakten voor materialen te maken, met de hoogste porositeit.

Nu Yagi, Furukawa en Kim hebben MOF's gemaakt die twee keer zo poreus zijn als MOF-177, drie keer de porositeit van MOF-5 en tien keer de porositeit van het meest poreuze materiaal vóór 1999. Dit betekent dat ze nu twee keer zoveel gas kunnen opslaan als in 2004, een enorme stijging.

"Als ik een gram MOF-200 neem en het ontrafel, het zal vele voetbalvelden bestrijken, en dat is de ruimte die je hebt om gassen te verzamelen, " zei Yaghi. "Het is als magie. Veertig ton MOF's is gelijk aan de hele oppervlakte van Californië.

"Dit is nog maar het begin van MOF's, " hij zei, "omdat we nu het platform van materialen kunnen zien waarop we kunnen bouwen. In de wetenschap, het bereiken van de limiet door experiment is prachtig, en nu kunnen we de eigenschappen van deze materialen testen voor verschillende toepassingen. Vereisten voor het maken van een levensvatbaar materiaal voor het afvangen van kooldioxide zijn een hoge capaciteit en een hoge selectiviteit. We hebben eerder gerapporteerd over het verkrijgen van een hoge selectiviteit voor koolstofdioxide; nu laten we zien hoe u een hoge capaciteit kunt krijgen. De industriële toepassingen worden ingezet of, in bepaalde gevallen, zijn in ontwikkeling. Veel bedrijven werken aan de ontwikkeling van MOF's."

Bijvoorbeeld, BASF, een wereldwijd chemisch bedrijf gevestigd in Duitsland, maakt grote hoeveelheden MOF's, die worden verkocht door Sigma-Aldrich, een life science en high-tech bedrijf.

Yagi, Furukawa en Kim rapporteren ook in Wetenschap een record voor de opslagcapaciteit van kooldioxide. MOF-200 en MOF-210 nemen de meeste waterstof op, methaan en koolstofdioxide, bij gewicht, ooit behaald.

Op 12 februari van dit jaar, Yagi, UCLA afgestudeerde student Hexiang Deng, Furukawa en UCLA-collega's meldden in Wetenschap hun creatie van een synthetisch "gen" dat de uitstoot van kooldioxide zou kunnen opvangen.

Kooldioxide vervuilt de atmosfeer van de aarde en beschadigt koraalriffen en het leven in zee — effecten die tijdens ons leven onomkeerbaar zijn, zei Yagi.

Met het nieuwe onderzoek het is nu mogelijk om het synthetische gen te ontwikkelen met MOF-200 en MOF-210, waardoor het een veel groter oppervlak krijgt.

"MOF's zijn een klasse van materialen die ongeëvenaard is door andere, " zei Yaghi. "MOF's behoren tot de grootste klasse materialen die ooit zijn gemaakt, in aantal, verscheidenheid en diversiteit van compositie."

Furukawa, die zeven jaar in Yaghi's laboratorium heeft gewerkt, behaalde zijn Ph.D. van de Universiteit van Tokio.

"Hiro ontdekte een manier om het oplosmiddel dat anders de gaten zou vullen, volledig te verwijderen. waardoor toegang tot de porositeit, " zei Yaghi. "Dat was de magie."

Leren van 'As the World Turns' en 'Three's Company'

Toen Furukawa naar de Verenigde Staten kwam voor een Japanse fellowship, hij sprak bijna geen Engels.

Yagi, een van 's werelds grootste wetenschappers, herinnert zich zonder schaamte hoe hij naar "As the World Turns" en "Days of Our Lives" keek om Engels te leren toen hij op 15-jarige leeftijd vanuit Jordanië naar New York kwam.

"Toen ik Hiro ophaalde, "Yagi zei, "Ik dacht, 'Hij heeft geen idee van de wereld die hij betreedt' - Amerika of mijn lab. Ik zei tegen hem, 'Ik praat pas met je als je een kleine tv koopt en elke dag soapseries kijkt; Ik wil dat je Engels leert.' De manier waarop ik Engels leerde, was door de krant te lezen met een woordenboek en woorden te onderstrepen die ik niet begreep. Bijna elke andere regel had een onderstreept woord dat ik opkeek, maar je leert heel snel. Ik keek naar soapseries, te. Ik rende van school terug naar mijn kamer om te kijken wat er gebeurde. De verhalen gaan niet erg snel; het is bijna alsof je onderzoek doet."

Furukawa volgde Yaghi's advies op en keek naar herhalingen van 'Three's Company'.

"Ik begreep het eerst niet, " hij zei, "maar later, het was gemakkelijk te volgen."

Hoe beslist Yaghi welke studenten hij in zijn laboratorium toelaat?

"Je moet in hun ogen kijken en zien of er passie en energie is, "Zei Yaghi. "Technische vaardigheden moeten gepaard gaan met het vermogen om je potentieel te benutten en je geest te verheffen."

Furukawa werkt vaak tot 04.00 uur, vaak op zijn computer thuis.

"Als ik iets wil afmaken, Ik blijf graag werken, " hij zei.

"Het beste dat ik van professor Yaghi heb geleerd, "Furukawa zei, "is geen scheikunde maar zijn manier van denken. Toen ik bij zijn groep kwam, Ik was zeer verrast, want ik heb nog nooit een professor gezien die zoals hij denkt in Japan. Hij publiceert alleen uitzonderlijke resultaten. Daarom is hij de leider van het veld. Hij motiveert ons om doorbraken te vinden, nieuwe concepten en wereldrecords. De ervaring van het werken in zijn laboratorium heeft mijn geest en mijn denkproces zeker verbeterd."