Material som är omöjliga att erhålla med befintliga metoder kan framställas med en fast, nanostrukturerat kiseldioxidlösningsmedel. Forskare från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin i Krakow presenterade ett innovativt tillvägagångssätt för framställning av ämnen med unika fysikaliska och kemiska egenskaper.

Ett team av fysiker från Krakow (Polen) har lyckats utveckla en flexibel metod för att producera fasta, tvådimensionella kiseldioxidlösningsmedel för att producera material med unika optiska, magnetiska och strukturella egenskaper. Termen "fast lösningsmedel" betyder här ett ämne som, när nedsänkt i en lösning av lämpliga molekyler, binder dem till sin yta i strikt definierade proportioner och på ett definierat sätt. Denna prestation är arbetet av ett team som leds av Dr. Lukasz Laskowski från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow. Resultaten av teamets mångåriga arbete har precis presenterats i International Journal of Molecular Sciences .

Nya material produceras ofta genom att avsätta specifika atomer eller kemiska molekyler på ett lämpligt substrat, såsom kiseldioxid eller kol. Problemet här, dock, styr hur molekylerna deponeras. Svårigheten är lätt att förstå med ett enkelt exempel. Ta en gummiboll, täck den med lim och kasta den i några fjädrar. När du tar ut bollen, du upptäcker att det finns fler fjädrar på vissa ställen än på andra på dess yta. Anledningen till denna situation är det faktum att det inte finns någon kontroll över hur individuella fjädrar fastnar på bollen.

"Inom molekylär ingenjörskonst, situationen är ännu mer komplicerad, " säger Dr Laskowski och presenterar frågan:"Anta att du efter år av forskning fint lyckades hitta ett sätt att kontrollera avståndet mellan fjädrarna som satt fast på gummibollen. Vad skulle hända om vi plötsligt behövde hålla på inte fjädrar utan, låt oss säga, glaspärlor? Du skulle förmodligen behöva byta lim. Att byta lim och det limmade elementet skulle innebära att nya metoder måste utarbetas för att kontrollera avståndet mellan elementen som klistras på. På nytt, detta skulle kräva flera års forskning, vilket inte nödvändigtvis skulle vara framgångsrikt. "

Krakow-fysikerna, finansierad av polska National Science Center, beslutade att lösa problemet som beskrivs ovan på följande sätt. Istället för att kämpa med successiva sökningar efter nya metoder för att enhetligt avsätta alla slags olika joner eller partiklar på bärare, de utvecklade en metod för att belägga ett kiseldioxidsubstrat med förankringsenheter. Här, varje molekylärt ankare är bundet på ena sidan till substratet, medan den andra sidan kan fånga en jon eller en molekyl av en specifik typ från miljön. Vad som är särskilt viktigt är att denna metod gör det möjligt att upprätthålla statistisk kontroll över tätheten av fördelning av ankarna på bärarens yta. Problemet med att designa nya material har därmed förenklats radikalt. För närvarande, dess viktigaste punkt är den relativt enkla och snabba utvecklingen av ett ankare med ena änden som drar till sig de aktuella jonerna eller molekylerna.

"I vår metod, nyckelrollen för det fasta lösningsmedlet spelas av kiseldioxid nanostrukturer. Vi producerar dem under förhållanden så att när de bildas, de täcks omedelbart av ett vanligt rutnät av förankringsenheter med en täthet strikt anpassad till våra nuvarande behov, " förklarar Dr. Magdalena Laskowska (IFJ PAN).

Förmågan att statistiskt kontrollera avståndet mellan ankare, som existerar vid framställningen av kiseldioxidlösningsmedlet, tillåter forskare att exakt välja mängden ämne som är bunden på kiseldioxidpartiklarnas yta. På samma gång, det blir möjligt att behålla kontroll över interaktionerna mellan molekylerna som fångas av ankarna och till och med över deras orientering.

"I traditionella processer för att producera nya material, molekyler av vissa kemiska föreningar kan avsättas på en yta på ett sådant sätt att deras molekylära struktur förändras. Molekylerna förlorar då ofta sina egenskaper och blir praktiskt taget oanvändbara. Detta händer när molekyler binder till substratet med hjälp av fragment som bestämmer deras fysikaliska eller kemiska egenskaper. Dock, vi kan ta dessa oregerliga molekyler och kompaktera antalet ankare på ett fast lösningsmedel på ett sådant sätt att molekylerna, efter bindning, fortfarande har aktiva områden och behåller sin ursprungliga funktionalitet, " förklarar doktorand Oleksandr Pastukh (IFJ PAN).

När ett lämpligt framställt kiseldioxidlösningsmedel nedsänks i en lösning med måljonerna/partiklarna, ankarna på dess yta fångar och binder dem, vilket spontant leder till den antagna molekylära strukturbildningen. Det nybildade materialet behöver nu helt enkelt filtreras, tvättas med ett lösningsmedel för att avlägsna smuts, och torkades.

Att bemästra tekniken för att producera fasta lösningsmedel med exakt kontrollerad ankarfördelning gjorde det möjligt för IFJ PAN-forskarna att vända den traditionella processen att designa och syntetisera material. Istället för att undersöka redan tillverkade material för att hitta tillämpningar för dem, Krakow-forskarna lär sig först om nuvarande behov, till exempel, inom optoelektronik eller fotonik, sedan med dessa i åtanke, utforma materialets egenskaper, bestämma dess molekylära struktur, och slutligen syntetisera ett ämne med exakt de egenskaper som krävs. Under syntesen, en nyckelroll spelas ofta av ett fast lösningsmedel, med vilken det är möjligt att styra proportionerna mellan molekyler som deltar i reaktionen med extraordinär precision.

"När materialet har tagits fram, vi testar den för att jämföra dess faktiska fysikaliska och kemiska egenskaper med de som krävs. Om det finns avvikelser, vi upprepar syntesen med något ändrade parametrar. Om det inte hjälper, vi gör justeringar på det molekylära designstadiet, "Doktorand Andrii Fedrochuk (IFJ PAN) förklarar mer detaljerat.

Metoden som använder nanostrukturerat kiseldioxidlösningsmedel är särskilt intressant på grund av möjligheten att producera material med unika icke-linjära optiska egenskaper, till exempel, med en exakt inställd andra eller tredje harmoniska komponent av ljus (vilket innebär att ljusvågan som lämnar materialet har fördubblats eller tredubblats i förhållande till vågens infall på materialet). Intressanta applikationer öppnar sig också inom medicinområdet. Det börjar bli möjligt att utveckla nya material som gör att molekylerna kan behålla sina starka biocidegenskaper när de tillsätts till tandfyllningar eller färger.