Porowate materiały organiczne a sorpcja gazów

Nanostrukturalne materiały z dokładnie zdefiniowanymi porami są przedmiotem intensywnych prac badawczo-rozwojowych mających na celu wykorzystanie ich w detekcji, magazynowaniu i separacji gazów. Zeolity, glinki, sieci metaloorganiczne i mezoporowate tlenki metali to przykłady materiałów opracowywanych pod kątem zastosowań w takich sektorach, jak środowisko, energetyka i biomedycyna.

Porowate molekularne materiały stałe mogą stanowić ważną alternatywę. Te związki organiczne mogą dostosowywać pod względem wielkości porów i grup funkcyjnych znajdujących się w porach pod kątem zwiększenia selektywności. Ponadto dynamiczne zmiany struktury molekularne można wykorzystać w przełącznikach makrocząsteczkowych lub wzbudnikach. Uczestnicy finansowanego ze środków UE projektu "Synthesis and characterization of porous molecular solids" (POMOS) zajmują się kaliksarenami i cyklopeptoidami jako elementami budulcowymi dla urządzeń wykorzystujących oddziaływania między gazami i ciałami stałymi na poziomie atomowym.

Kaliksareny i cyklopeptoidy to makrocykliczne związki organiczne tworzące wnęki, w których mogą mieścić się małe cząsteczki lub jony, formujące system gospodarza i gościa. Kaliksareny są już z powodzeniem wykorzystywane do budowy materiałów nanostrukturalnych, natomiast cyklopeptoidy są stosunkowo słabo zbadane.

Nowe kaliksareny i cyklopeptoidy zostały zsyntetyzowane i scharakteryzowane w ramach wstępnych doświadczeń. Wyniki badań nad kaliksarenami prowadzonych przy pomocy monokrystalicznej i proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej przedstawiono na europejskiej konferencji krystalograficznej w 2013 oraz opisano w dwóch publikacjach.

Związki oparte na kaliksarenach przetestowano pod kątem właściwości dotyczących adsorpcji gazów w warunkach nietypowych przy pomocy specjalnie wykonanego ogniwa gazowego. Ta konfiguracja pozwala naukowcom na scharakteryzowanie oddziaływań gość-gospodarz z rozdzielczością atomową w celu zbadania mechanizmów adsorpcji.

Dane uzyskane przy pomocy ogniwa gazowego w dużych laboratoriach promieniowania synchrotronowego i dyfrakcji neutronowej są uzupełnieniem pozostałych metod badawczych. Laboratoria te mogą prowadzić monokrystaliczną dyfrakcję rentgenowską in situ, tylko gdy uda się uzyskać bardzo małe (10 mikronów) monokryształy, lub też wysokorozdzielczą proszkową dyfrakcję rentgenowską in situ, tylko pod warunkiem uzyskania proszków krystalicznych.

Skuteczne strategie charakteryzowania sorpcji i uwalniania gazów przez nowe molekularne materiały porowate będą niezbędne dla opracowania nowych urządzeń umożliwiających detekcję, separację i magazynowanie gazów. Urządzenia te mają ogromny potencjał komercyjny, dzięki czemu omawiany projekt przyczyni się do umocnienia pozycji UE na ważnym światowym rynku.