Ett innovativt filtermaterial kan snart minska miljökostnaderna för att tillverka plast. Skapad av ett team inklusive forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST), förskottet kan extrahera nyckelingrediensen i den vanligaste formen av plast från en blandning av andra kemikalier – samtidigt som den förbrukar mycket mindre energi än vanligt.

Materialet är ett metall-organiskt ramverk (MOF), en klass av ämnen som upprepade gånger har visat en talang för att separera enskilda kolväten från soppan av organiska molekyler som produceras genom oljeraffineringsprocesser. MOF har ett enormt värde för plast- och petroleumindustrin på grund av denna förmåga, vilket skulle kunna göra det möjligt för tillverkare att utföra dessa separationer mycket billigare än vanliga oljeraffineringstekniker.

Detta löfte har gjort MOF föremål för intensiv studie vid NIST och på andra håll, leder till MOF som kan separera olika oktaner av bensin och påskynda komplexa kemiska reaktioner. Ett stort mål har visat sig svårfångat, dock:en industriellt föredragen metod för att vrida ut eten - molekylen som behövs för att skapa polyeten, plasten som används för att göra shoppingkassar och andra vardagsbehållare.

Dock, i dagens nummer av tidningen Vetenskap , forskargruppen avslöjar att en modifiering av en väl studerad MOF gör att den kan separera renad eten ur en blandning med etan. Teamets skapelse – byggd vid University of Texas i San Antonio (UTSA) och Kinas Taiyuan University of Technology och studerade vid NIST Center for Neutron Research (NCNR) – representerar ett stort steg framåt för området.

Att tillverka plast tar mycket energi. polyeten, den vanligaste typen av plast, är byggd av eten, en av de många kolvätemolekyler som finns vid raffinering av råolja. Etenen måste vara högt renad för att tillverkningsprocessen ska fungera, men den nuvarande industritekniken för att separera eten från alla andra kolväten är en kall men högenergiprocess som kyler ner råolja till mer än 100 grader under noll Celsius.

Eten och etan utgör huvuddelen av kolvätena i blandningen, och att separera dessa två är det absolut mest energikrävande steget. Att hitta en alternativ separationsmetod skulle minska den energi som behövs för att tillverka de 170 miljoner ton eten som tillverkas över hela världen varje år.

Forskare har letat efter en sådan alternativ metod i flera år, och MOF:er verkar lovande. På en mikroskopisk nivå, de ser lite ut som en halvbyggd skyskrapa av balkar och inga väggar. Balkarna har ytor som vissa kolvätemolekyler kommer att hålla fast vid, så att hälla en blandning av två kolväten genom den högra MOF kan dra en sorts molekyl ur blandningen, låta det andra kolvätet komma fram i ren form.

Tricket är att skapa en MOF som låter eten passera igenom. För plastindustrin, detta har varit stickpunkten.

"Det är väldigt svårt att göra, sa Wei Zhou, en vetenskapsman vid NCNR. "De flesta MOF:er som har studerats tar tag i eten snarare än etan. Några av dem har till och med visat utmärkt separation

prestanda, genom att selektivt adsorbera etenet. Men ur ett industriellt perspektiv föredrar du att göra tvärtom om det är möjligt. Du vill adsorbera etanbiprodukten och låta eten passera igenom."

Forskargruppen ägnade år åt att försöka lösa problemet. Under 2012, ett annat forskarlag som arbetade vid NCNR fann att ett särskilt ramverk kallat MOF-74 var bra för att separera en mängd olika kolväten, inklusive eten. Det verkade vara en bra utgångspunkt, och gruppmedlemmarna letade igenom den vetenskapliga litteraturen för ytterligare inspiration. En idé hämtad från biokemin skickade dem till slut i rätt riktning.

"Ett stort ämne inom kemi är att hitta sätt att bryta den starka bindningen som bildas mellan kol och väte, " sa UTSA professor Banglin Chen, som ledde laget. "Genom att göra det kan du skapa många värdefulla nya material. Vi hittade tidigare forskning som visade att föreningar som innehåller järnperoxid kan bryta den bindningen."

Teamet resonerade att för att bryta bindningen i en kolvätemolekyl, föreningen måste attrahera molekylen i första hand. När de modifierade MOF-74:s väggar för att innehålla en struktur som liknar föreningen, det visade sig att molekylen som den lockade från blandningen var etan.

Teamet tog med MOF till NCNR för att utforska dess atomära struktur. Genom att använda en teknik som kallas neutrondiffraktion, de bestämde vilken del av MOF:s yta som lockar till sig etan - en viktig information för att förklara varför deras innovation lyckades där andra insatser har kommit till kort.

"Utan den grundläggande förståelsen av mekanismen, ingen skulle tro på våra resultat, " sa Chen. "Vi tror också att vi kan försöka lägga till andra små grupper till ytan, kanske göra andra saker. Det är en helt ny forskningsriktning och vi är väldigt exalterade."

Medan Zhou sa att lagets modifierade MOF fungerar effektivt, det kan kräva ytterligare utveckling för att se åtgärder på ett raffinaderi.

"Vi bevisade att den här vägen är lovande, "Zhou sa, "men vi hävdar inte att våra material presterar så bra att de inte kan förbättras. Vårt framtida mål är att dramatiskt öka deras selektivitet. Det är värt att fortsätta."