Сотрудник Самарского государственного технического университета вместе с иностранными коллегами разработал новое пористое соединение и нашел способ настраивать его свойства. Материал можно применять для ликвидации последствий техногенных аварий и в бытовых целях, например, при фильтрации воды. Работа поддержана Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда, а ее результаты опубликованы в журнале Journal of the American Chemical Society.

Чтобы упростить синтез новых полимерных соединений, ученым необходимы специальные методы и правила. Они помогают точнее отбирать из уже известных материалов те, что обладают требуемыми свойствами, а также нужны для прогноза существования новых веществ с определенными характеристиками. Например, с помощью этих правил можно будет создать органические материалы с большими порами, которые будут адаптироваться под окружающие условия. Они смогут «настраивать» свою поглощающую способность и избирательность. Такие материалы сильно повысят качество жизни людей, а также улучшат экологичность, экономичность и технологичность предприятий. Их можно будет использовать для ликвидации последствий техногенных аварий, в быту и промышленной безопасности, в том числе в фильтрах и системах оповещения при угрозе отравления дома и рабочей зоны. Кроме того, используя такие материалы, возможно контролировать качество воды и продуктов питания.

Картинки: структура созданных органических соед...

Картинки: структура созданных органических соединений и их фотографии под микроскопом. Источник: Евгений Александров

«В этой статье мы на основании правил из нашей базы данных предсказали существование серии новых разнообразных по строению органических монокристаллов. После этого была исследована их структура и настроены требуемые свойства: высокая упорядоченность, нерастворимость, большая емкость для поглощения растворителя и молекул йода с обратимым набуханием и пятикратным увеличением объема кристалла», — рассказал один из авторов статьи Евгений Александров, руководитель проекта, кандидат химических наук, заведующий лабораторией синтеза новых кристаллических материалов Самарского государственного технического университета.

Йод в виде свободного вещества токсичен: его смертельная доза составляет всего 3 грамма. Он вызывает поражение почек и сердечно-сосудистой системы. Также существует радиоактивный йод-131, который особенно опасен для человека, поскольку накапливается в щитовидной железе и вызывает ее поражение. Поэтому важно контролировать содержание элемента в воде и воздухе.

В смоделированных в СамГТУ и синтезированных в Дартмутском колледже (США) пористых органических каркасах молекулы «скреплены» между собой с помощью водородных связей, что делает структуру устойчивой в упорядоченном (кристаллическом) состоянии. Так как водородные связи не самые прочные, кристаллы могут растворяться в воде, поэтому соединение нельзя использовать для ее фильтрации. Авторы решили изучить возможность соединения этих же атомов друг с другом с помощью более прочных связей в составе гибких сшивок на основе серы. При этом сохраняется исходный порядок упаковки и пористость. Такие сшивки, например, используются в производстве резины из каучука. Они обладают необходимой прочностью и гибкостью и способны выступать в роли молекулярных пружин. Такая структура может обратимо вытягиваться и сжиматься с многократным изменением размеров.

Картинки: структура созданных органических соед...

Картинки: структура созданных органических соединений и их фотографии под микроскопом. Источник: Евгений Александров

Исследователи подсчитали, что общее число комбинаций упорядоченного связывания составляет 2225 вариантов с использованием 68 мостиков (сшивок), если учитывать только длину мостиков. Но из этого многообразия не трудно образовать лишь 17 вариантов. Остальные оказались невозможными из-за размеров и форм пор и каналов в исходной структуре. При дальнейшем отборе выяснилось, что всего четыре из 17 сшитых структур обладают нужными свойствами. Они могут поглощать и после обратно выделять йод и при этом увеличиваться в размерах более чем в два раза, сохраняя свою структуру.

Ученые отмечают, что получить органические каркасы с кристаллической структурой и заданными строением и свойствами очень сложно, поэтому результаты работы важны для последующих исследований. На их основе можно будет разработать достаточно гибкие и пористые соединения, которые найдут широкое применение в промышленности и быту.

Картинки: структура созданных органических соед...

Картинки: структура созданных органических соединений и их фотографии под микроскопом. Источник: Евгений Александров

Работа проходила совместно с учеными из Северо-Западного университета, Университета штата Мичиган, Дартмутского колледжа (США), Института технологий Шанхая (Китай) и Миланского университета (Италия).

Картинки: структура созданных органических соед...

Картинки: структура созданных органических соединений и их фотографии под микроскопом. Источник: Евгений Александров