Hur lämnar vatten en svamp?

I en ny studie, forskare svarar på denna fråga i detalj för en porös, kristallint material tillverkat av metall och organiska byggstenar – speciellt, kobolt (II) sulfat heptahydrat, 5-aminoisoftalsyra och 4, 4'-bipyridin.

Med hjälp av avancerad teknik, forskare studerade hur denna kristallina svamp ändrade form när den gick från ett hydrerat tillstånd till ett uttorkat tillstånd. Observationerna var genomarbetade, låta laget "se" när och hur tre enskilda vattenmolekyler lämnade materialet när det torkade ut.

Kristallina svampar av detta slag tillhör en klass av material som kallas metall-organiska ramverk (MOFs), som har potential för applikationer som att fånga föroreningar eller lagra bränsle vid låga tryck.

"Det här var en riktigt trevlig, detaljerat exempel på att använda dynamisk in-situ röntgendiffraktion för att studera transformationen av en MOF-kristall, säger Jason Benedict, Ph.D., docent i kemi vid universitetet vid Buffalo College of Arts and Sciences. "Vi initierar en reaktion - en uttorkning. Sedan övervakar vi den med röntgenstrålar, lösa kristallstrukturer, och vi kan faktiskt se hur detta material förvandlas från den helt hydratiserade fasen till den helt uttorkade fasen.

"I detta fall, den hydratiserade kristallen innehåller tre oberoende vattenmolekyler, och frågan var i princip, hur går man från tre till noll? Lämnar dessa vattenmolekyler en i taget? Går de alla på en gång?

"Och vi upptäckte att det som händer är att en vattenmolekyl lämnar väldigt snabbt, som gör att kristallgittret komprimeras och vrids, och de andra två molekylerna slutar att lämna tillsammans. De läcker ut samtidigt, och det gör att gallret vrids upp men förblir komprimerat. All den rörelsen som jag beskriver - du skulle inte ha någon inblick i den typen av rörelse i avsaknad av den här typen av experiment som vi utför. "

Forskningen publicerades online den 23 juni i tidskriften Strukturell dynamik . Benedict ledde studien med förstaförfattarna Ian M. Walton och Jordan M. Cox, UB kemi Ph.D. akademiker. Andra forskare från UB och University of Chicago bidrog också till projektet.

Att förstå hur MOF:s strukturer förvandlas – steg för steg – under processer som uttorkning är intressant ur grundvetenskapens synvinkel, säger Benedikt. Men sådan kunskap kan också hjälpa ansträngningarna att designa nya kristallina svampar. Som Benedict förklarar, ju fler forskare kan lära sig om egenskaperna hos sådana material, desto lättare blir det att skräddarsy nya MOF:er inriktade på specifika uppgifter.

Tekniken som teamet utvecklade och använde för att studera kristallens transformation ger forskare ett kraftfullt verktyg för att främja forskning av detta slag.

"Forskare studerar ofta dynamiska kristaller i en miljö som är statisk, " säger medförfattaren Travis Mitchell, en kemi doktorsexamen student i Benedicts labb. "Detta begränsar i hög grad omfattningen av deras observationer till före och efter en viss process äger rum. Våra resultat visar att observation av dynamiska kristaller i en miljö som också är dynamisk gör det möjligt för forskare att göra observationer medan en viss process äger rum. Vår grupp utvecklade en enhet som låter oss kontrollera miljön i förhållande till kristallen:Vi kan kontinuerligt strömma vätska runt kristallen när vi samlar in data, som ger oss information om hur och varför dessa dynamiska kristaller förvandlas."

Studien stöddes av National Science Foundation (NSF) och US Department of Energy, inklusive genom NSF:s ChemMatCARS-anläggning, där mycket av experimentarbetet ägde rum.

"Dessa typer av experiment tar ofta dagar att utföra på en laboratoriediffraktometer, " säger Mitchell. "Lyckligtvis, vår grupp kunde utföra dessa experiment med synkrotronstrålning vid NSF:s ChemMatCARS. Med synkrotronstrålning, vi kunde göra mätningar på några timmar."