Een team van chemici van UConn heeft een nieuwe manier ontdekt om een ​​klasse van poreuze materialen te maken die betere productiecontroles mogelijk maakt en aanzienlijk bredere toepassingen heeft dan de oude industriestandaard.

Het proces, meer dan drie jaar in de maak en beschreven in de december 2013 editie van Natuurcommunicatie , heeft tot dusver geresulteerd in de creatie van meer dan 60 nieuwe materiaalfamilies, met potentieel voor nog veel meer. De belangrijkste katalysator in het proces is recyclebaar, waardoor het een 'groene' technologie wordt.

Vier octrooiaanvragen met betrekking tot de ontdekking zijn in behandeling. VeruTEK, een chemisch innovatiebedrijf gevestigd in South Windsor, Conn., heeft beveiligde rechten op sommige materialen.

"Dit is absoluut het meest opwindende project waar ik de afgelopen 30 jaar bij betrokken ben geweest, " zegt Board of Trustees Distinguished Professor Steven L. Suib, hoofdonderzoeker van het project. "Wat we hebben gedaan is vergelijkbaar met het ontdekken van een nieuw insect, alleen nu is er een reeks families van deze dingen die ontdekt kunnen worden. Dat is best wel cool."

Het onderzoek is het eerste grote werk dat voortkomt uit het nieuwe GEMS Centre of Excellence van de universiteit. Het centrum, die zijn naam dankt aan het acroniem Green Emulsions, Micellen en oppervlakteactieve stoffen, is gevestigd in de afdeling Scheikunde van het College of Liberal Arts and Sciences.

Suib's onderzoek omvat het creëren van uniforme, of monomodaal, mesoporeuze metaaloxiden met behulp van overgangsmetalen zoals mangaan, kobalt, en ijzer. Mesoporous beschrijft de grootte van de poriën in het materiaal. In dit geval, ze hebben een diameter van 2 tot 50 nanometer en zijn gelijkmatig verdeeld over het oppervlak van het materiaal, vergelijkbaar met wat je zou kunnen zien als een speld wordt gebruikt om talloze gaten in een materiaal te prikken. Alleen het UConn-proces stelt wetenschappers in staat stikstofmonoxidechemie te gebruiken om de diameter van de "pin, " om de grootte van de gaten te veranderen. Deze unieke aanpak helpt chemische reacties in te dammen en biedt ongekende controle en flexibiliteit.

"Professor Suib en zijn collega's rapporteren een onverwachte en nieuwe route naar het genereren van mesoporeuze metaaloxiden, " zegt Prabir Dutta, universiteitshoogleraar scheikunde en biochemie aan de Ohio State University. "De ontdekking van professor Suib en de uitbreiding van mesoporositeit tot een veel breder scala aan metaaloxiden zal dit gebied ongetwijfeld naar nieuwe hoogten brengen, met allerlei mogelijke toepassingen, waardoor deze studie een zeer belangrijke ontwikkeling in de materiaalwetenschap is."

Met materialen met uniforme microscopisch kleine poriën kunnen gerichte moleculen van een bepaalde grootte in en uit het materiaal stromen, wat belangrijk is bij toepassingen als adsorptie, sensoren, optiek, magnetisch, en energieproducten zoals de katalysatoren in brandstofcellen.

"Als mensen aan deze materialen denken, ze denken aan lock-and-key-systemen, " zegt Suib. "Met bepaalde enzymen, je moet poriën hebben van een bepaalde grootte en vorm. Met dit proces, je kunt nu een opvangbak maken voor specifieke eiwitten of enzymen zodat ze de poriën kunnen binnendringen en specifiek kunnen binden en reageren. Dat is de hoop, om een ​​porie te kunnen maken die ervoor zorgt dat dergelijke materialen passen, om een ​​porie te kunnen maken die een wetenschapper nodig heeft."

De afgelopen 20 jaar, wetenschappers vertrouwen op een al lang bestaande, procedure op waterbasis voor het maken van mesoporeuze materialen die voor het eerst werd ontwikkeld door Mobil Oil. die werkwijze, hoewel baanbrekend toen het werd ontdekt, heeft beperkingen. De grootte van de poriën in het materiaal is moeilijk te manipuleren; de wanden van de resulterende mesoporeuze structuren zijn amorf; en de stabiliteit van het onderliggende systeem verzwakt bij blootstelling aan hoge hitte, het gebruik ervan beperken. Het proces werkt ook alleen het beste bij gebruik van silicium of titanium, in tegenstelling tot andere metalen van het periodiek systeem.

De chemici van UConn namen een andere route, ervoor kiezen om het op water gebaseerde proces te vervangen door een synthetische chemische oppervlakteactieve stof vergelijkbaar met een wasmiddel om de mesoporiën te creëren. Door het gebruik van water te verminderen, toevoeging van de oppervlakteactieve stof, vervolgens de resulterende nanodeeltjes blootstellen aan hitte, het onderzoeksteam ontdekte dat het thermisch gecontroleerde, thermisch stabiel, uniforme mesoporeuze materialen met zeer sterke kristallijne wanden. de mesoporiën, Suib zegt, worden gecreëerd door de gaten die worden gevormd tussen de georganiseerde nanodeeltjes wanneer ze samenklonteren. Het team ontdekte dat de grootte van die openingen of poriën kan worden aangepast - vergroot of verkleind - door de blootstelling van de nanostructuur aan warmte aan te passen, een belangrijke vooruitgang in het syntheseproces.

"Een dergelijke beheersing van de poriegrootteverdeling, verbeterde poriënvolumes, en thermische stabiliteit is ongekend …, ', schrijft het team in zijn rapport.

Misschien net zo belangrijk, het team ontdekte dat het proces met succes kon worden toegepast op een breed scala aan elementen van het periodiek systeem. Ook, de oppervlakteactieve stof die in de synthese wordt gebruikt, is recyclebaar en kan opnieuw worden gebruikt nadat deze is geëxtraheerd zonder schade aan het eindproduct.

Zich bewust van de betekenis van zijn bevindingen, Het team van Suib wachtte bewust met de publicatie van zijn rapport totdat het verschillende toepassingen had geverifieerd met behulp van een verscheidenheid aan periodieke elementen. Zelfs nu, het team gelooft dat het slechts de oppervlakte heeft bekrast.

"We hebben meer dan 60 materiaalfamilies ontwikkeld, " zegt Suib. "Voor elk materiaal dat we hebben gemaakt, je kunt er tientallen anderen van maken. Je kunt ze dopen door kleine hoeveelheden onzuiverheden toe te voegen. U kunt hun eigenschappen wijzigen. Naast oxiden kun je sulfiden maken. Er is nog veel meer onderzoek nodig."

Het UConn-onderzoek werd gefinancierd door de afdeling Basic Energy Sciences van het Amerikaanse Department of Energy via een bedrag van $ 420, 000 subsidie ​​over drie jaar. Suib zegt dat een bepaald lid van het onderzoeksteam, Altug S. Poyraz, een 'enorm getalenteerde' afgestudeerde student die promoveert aan de UConn, heeft bijgedragen aan het succes van het project. Poyraz bracht talloze weken geduldig door met het verkennen van verschillende benaderingen van het proces totdat het team succes vond.

"Hij is echt een unieke student en waarschijnlijk de beste synthetische chemicus die ik ooit heb gezien, " zei Suib, die ook dienst doet als directeur van UConn's Institute of Materials Science.

Suib gelooft dat het proces aantrekkelijk zal zijn voor de industrie omdat het eenvoudig, kostenefficiënt, en groen.