Wat doet je huid, de kleren die je draagt, en de grond waarop je staat gemeen hebben? Het zijn allemaal poreuze stoffen. Als een spons, hun oppervlakken zijn bedekt met kleine gaatjes waardoor vloeistoffen en gassen kunnen passeren. Poreuze materialen zijn wijdverbreid in onze wereld, en die met poriën op nanoschaal - mesoporeuze materialen genoemd - vormen alles van chemische katalysatordragers tot gasopslagkamers en scheidingsmembranen.

Daten, wetenschappers hebben geworsteld om sterke mesoporeuze materialen te fabriceren; echter, ze hebben met succes "microporeuze" materialen ontwikkeld. Deze materialen hebben nog kleinere poriën, met een afmeting van minder dan twee nanometer. Wetenschappers construeren deze ongelooflijk kleine materialen met behulp van het 'moleculaire raamwerk'-concept, waar klein, stijve moleculen zijn onderling verbonden om een ​​continue structuur te genereren. Hoewel een gebrek aan geschikte bouwstenen in het mesoporeuze regime (twee tot 50 nanometer) wetenschappers ervan weerhield om sterke mesoporeuze materialen te ontwikkelen, een onderzoeksteam van de Universiteit van Buffalo (UB) heeft dit probleem nu opgelost.

"Als je eenmaal een bepaalde maat hebt bereikt, de meeste moleculen worden te flexibel en zijn niet sterk genoeg om het poriënraamwerk van een materiaal te behouden, " zei Dmytro Nykypanchuk, een wetenschapper bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science in het Brookhaven National Laboratory. "Dit heeft ertoe geleid dat de wetenschappers van de UB een geheel nieuwe benadering hebben ontwikkeld voor de synthese van mesoporeuze materialen."

In een paper gepubliceerd in ACS Nano , de wetenschappers beschrijven het synthetiseren van een nieuw materiaal uit flessenborstelcopolymeren, een gigantisch molecuul met een bijzondere architectuur. Deze moleculen hebben borstelharen die voortkomen uit een ruggengraat met eindblokken. Het onderzoeksteam voorspelde dat deze unieke combinatie van reactieve componenten in een enkel molecuul een sterk materiaal zou vormen met controleerbare poriën. specifiek, de zijketens zouden kunnen dienen als extra stijve interconnectoren, terwijl de reactieve eindblokken kunnen helpen meerdere bottlebrush-moleculen aan elkaar te binden.

"Flessenborstelcopolymeren bieden een uniek platform voor het vervaardigen van mesoporeuze materialen, " zei Javid Rzayev, de hoofdonderzoeker van het project en een professor scheikunde aan de UB. "Door hun moleculaire architectuur te manipuleren, we kunnen de moleculaire rigiditeit en de directionaliteit van intermoleculaire interacties beheersen. Dit heeft ons in staat gesteld een mesoporeus materiaal te ontwikkelen met moleculair afstembare parameters."

Om hun resultaten te bevestigen, het UB-onderzoeksteam analyseerde de structuur van het nieuwe materiaal bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), ook een DOE Office of Science User Facility. Met behulp van een techniek genaamd kleine hoek röntgenverstrooiing, het team leidde de heldere röntgenstralen van bundellijn 11-BM - een bundellijn gebouwd in een samenwerking tussen NSLS-II en CFN - om te observeren hoe licht weerkaatst op de atomen in het materiaal. Uit de studie bleek dat het nieuwe materiaal heel anders was dan het materiaal dat met traditionele methoden werd geproduceerd. Omdat elke porie werd geconstrueerd door verschillende macromoleculen, het nieuw ontwikkelde materiaal had een veel groter aantal poriën per volume, terwijl de poriën uniforme afmetingen vertoonden en hun stijfheid behielden. Het belangrijkste is, de wetenschappers konden de poriën controleren door de structuur van de flessenborstelcopolymeren te manipuleren.

"Omdat de poriën worden gedefinieerd door moleculaire architectuur, wetenschappers hebben veel meer controle over de poriegrootte en de eigenschappen van deze materialen dan voorheen, ' zei Nykypanchuk.

Met een stevig en controleerbaar frame om mee te werken, wetenschappers kunnen nu manieren onderzoeken om mesoporeuze materialen te verbeteren, zoals het veranderen van de aard van de poriën om ze katalytisch actief te maken.