21 мая, 2022

hleb

Находите все последние статьи и смотрите телешоу, репортажи и подкасты, связанные с Россией.

Химики разрабатывают принципиально новый метод абсорбции.

21 октября 2021 г.

(Новости NanwerkИсследовательская группа под руководством химиков Северо-Западного университета совершила прорыв в науке о поверхности, представив новый активный механизм адсорбции. Такие основанные на сорбции явления, при которых молекулы притягиваются к твердой поверхности, необходимы для современных катализаторов, накопления энергии и восстановления окружающей среды.

Исследование демонстрирует, как синтетические молекулярные машины — полностью синтетические молекулярные компоненты, которые производят машинные движения — привитые к поверхностям, могут быть использованы для активного набора молекул на эти поверхности в очень высоких концентрациях, таким образом сохраняя большое количество энергии.

Новый механизм адсорбции, называемый механической адсорбцией, возникает в результате несбалансированной перекачки с образованием механических связей между адсорбентом (поверхностью) и адсорбентом (молекулами). Подробности исследования опубликованы в журнале. Наука («Активный механик приводится в движение накачивающими лентами»).

Механизм использует окисление, восстановление (т.е. восстановление с последующим окислением) и кислотно-щелочную химию для адсорбции и адсорбции множества колец точно на поверхности 2D твердого состояния и вдали от нее. Металлоорганическая структура (MOF). В ходе исследования молекулы, выведенные на поверхность, были кольцами, но ожидается, что этот подход будет распространен на многие другие молекулы путем активации колец в качестве начала.

«Значение этой части исследования заключается в том, что это первый крупный фундаментальный прогресс в химии поверхности с тех пор, как разложение и хемосорбция — два явления равновесия — преобладали в 1930-х годах», — сказал Нортвестерн. Сэр Фрейзер Стоддарт, лауреат Нобелевской премии по химии 2016 года за свои работы, связанные с проектированием и синтезом молекулярных машин.

Стоддарт, профессор химии в попечительском совете колледжа искусств и наук Вайнберга, является автором исследования, проведенного в сотрудничестве с профессором астомии из Университета штата Мэн, теоретиком кафедры физики и астрономии и Омаром Фарха, министерство химии. эксперт и Северо-Западный профессор химии. Лян Фэн и Юньян Цю, научные сотрудники лаборатории Стоддарта, являются первыми авторами статьи.

READ  Ученые уничтожили рак печени у мышей с помощью неинвазивных звуковых волн

«Есть веские основания полагать, что концепция механизма однажды привлечет внимание учебника», — сказал Стоддарт. «Если химики смогут придумать, как внедрить механизацию в активные структуры, то хранение таких газов, как водород, углекислый газ и метан, войдет в совершенно новый мир и станет совершенно другой игрой в мяч».

Исследование демонстрирует синергию, возникающую в результате сочетания теории и эксперимента. Идея накачиваемой кассеты возникла в результате астомийского исследования воздействия колеблющихся электрических полей на мембраносвязанные ферменты. (Насосную планку можно сравнить с «долиной», «дно» которой можно перемещать вверх и вниз по бокам двух «горных перевалов», высоту которых можно поднимать и опускать, так что молекулы должны двигаться в одном направлении.) Эта молекулярная причуда. был произведен синтетическим путем в лаборатории Стоддарта с использованием ротаксанов — молекул Длинная гантель — с одним или двумя концами с обозначением участков колец, окруженных двумя группами, чтобы обеспечить кинетические барьеры между блоком, когда кольца плавают в растворе, и полимерными цепями, в которых кольца собираются одно за другим после каждого окислительно-восстановительного цикла. Важно отметить, что эти составляющие группы барьеров могут быть спроектированы таким образом, чтобы по-разному реагировать на изменения в окружающей их среде. Эти перекачивающие ленты могут быть включены во многие типы полимерных цепей, что дает множество возможных применений.

Этот механизм имеет важное значение для контролируемого хранения и высвобождения множества различных молекул. В этой работе основное внимание уделяется привлечению кольцевых молекул к поверхностям, но ожидается, что эти кольца будут активированы, чтобы доставить на поверхности множество различных типов молекул в высокой концентрации.

Стоддарт сказал: «Механизм механической адсорбции имеет некоторые общие черты с аэрозольными баллончиками, поскольку различные материалы хранятся под высоким давлением, а затем высвобождаются при нажатии на спусковой крючок. Однако механически адсорбированные материалы остаются в механическом равновесии, даже когда они упакованы. из динамического равновесия. Тепловой. Механизм стимулированного высвобождения включает только диффузию, процесс, который кажется медленным с микроскопической точки зрения, но при этом чрезвычайно быстрым в этих системах ».

READ  Посмотрите на небо сегодня вечером, когда метеоритный дождь Геминид достигает своего апогея с ошеломляющим отображением «зеленых огненных шаров». »Brinkwire

Астумиан из Университета штата Мэн отмечает, что это исследование также важно для понимания одного из самых глубоких вопросов химии. По каким принципам простая материя становится сложной? Он сказал. «Ключевым моментом является то, что в то время как термодинамика выбирает наиболее вероятные структуры, близкие к равновесию, кинетика играет доминирующую роль в выборе структур, когда они далеки от равновесия».

В 1930-х годах Ирвинг Лэнгмер и Джон Ленард-Джонс наблюдали, что адсорбенты взаимодействуют с поверхностями посредством ван-дер-ваальсовых (сорбция) и / или электронных (сорбция) реакций. Адсорбция обычно считается отрицательным процессом, при котором адсорбция перемещается из области высокой концентрации в область низкой концентрации, поэтому концентрация поверхностной адсорбции всегда изменяется в направлении равновесия. Однако исследователи из Северо-западного исследования показали, что активного поглощения можно достичь с помощью синтетических молекулярных машин.

«Потенциальное преимущество механики в технологии, такой как химические конденсаторы, предоставит совершенно новый способ хранения и обработки энергии, информации и материалов на ранее невообразимых поверхностях», — сказал соавтор исследования Фенг. Появление механической связи вызывает серьезные волнения как в химии, так и в материаловедении. По прошествии некоторого времени можно увидеть, что общая область сорбции претерпит глубокие изменения после того, как она была изолирована в течение столетия, поскольку период разложения и хемосорбции доминировал в науках о поверхностях и интерфейсах. »

Один из первых авторов Цю добавил: «Это исследование является первым примером использования синтетических молекулярных насосов для эффективного набора и адсорбции молекул на твердые поверхности и открывает двери для работы синтетических молекулярных машин на поверхностях ряда функциональных материалов, от цеолита. и оксиды металлов в полимерные сетки и микронаночастицы ».

READ  Млечный Путь: астрономы сделали самые глубокие и точные изображения черной дыры нашей галактики

Эксперты, знакомые с работой, но не участвовавшие в исследовании, отметили важность исследования и его потенциальных приложений.

«Извлечение химикатов из раствора на твердые тела и поверхности и над ними поддерживает изоляцию отходов и загрязняющих веществ, извлечение драгоценных металлов, гетерогенный катализ, многие формы химического и биологического анализа и науки о разделении, а также многие другие технологии», — сказал Дэвид Ли. Профессор исследований Королевского общества Манчестерского университета, Великобритания.

«До сих пор не было возможности активно управлять такими процессами, — сказал он, — но использование молекулярных машин меняет это с помощью механизма, который команда Северо-Запада называет« механизацией »». Миниатюризация привела к технологическому прогрессу за счет »

Джонатан Сислер, заведующий кафедрой химии Доэрти Уэлч в Техасском университете в Остине, сказал об исследовании: «Это меняет правила игры. Оно открывает новую главу во важнейшей и часто энергоемкой области Группа авторов впервые продемонстрировала, что это возможно использовать механически коррелированные стратегии инфузии для концентрирования сильно заряженных частиц против градиента коломбина.

«Использование электрохимических методов для управления этим процессом химического дисбаланса открывает возможность прямого использования солнечной энергии для обеспечения процессов разделения», — сказал Сислер. В конечном итоге этот подход может позволить улавливать, обрабатывать и очищать ключевые промышленные объекты, такие как углеводороды, двуокись углерода и мелкодисперсные загрязнители, экономически эффективным образом. В краткосрочной перспективе антагонистические эффекты, вероятно, будут использоваться для распознавания анионов, в то время как использование асимметричных и неасимметричных филаментных структур может позволить хиральное разделение. Возможности кажутся почти безграничными ».