Kemister från UCLA och Sydkorea rapporterar "den ultimata porositeten hos ett nanomaterial, "att uppnå världsrekord för både porositet och koldioxidlagringskapacitet i en viktig klass av material som kallas MOFs, eller metallorganiska ramverk.

MOF, ibland beskrivs som kristallsvampar, har porer - öppningar på nanoskala som kan lagra gaser som vanligtvis är svåra att lagra och transportera. Porositet är avgörande för att packa stora mängder gaser till små volymer och är en väsentlig egenskap för att fånga upp koldioxid.

Forskningen kan leda till renare energi och förmågan att fånga upp värmefångande koldioxidutsläpp innan de når atmosfären och bidra till den globala uppvärmningen, stigande havsnivåer och den ökade surheten i haven.

Forskningen kommer att publiceras den 23 juli i den tryckta upplagan av tidskriften Vetenskap och finns för närvarande tillgänglig i tidskriftens förhandsutgåva online.

"Vi rapporterar den ultimata porositeten för ett nanomaterial; vi tror att detta är den övre gränsen eller mycket nära den övre gränsen för porositet i material, sa tidningens senior författare, Omar Yaghi, en UCLA-professor i kemi och biokemi och medlem av både California NanoSystems Institute (CNSI) vid UCLA och UCLA-Department of Energy Institute of Genomics and Proteomics.

"Porositet är ett sätt att göra mycket med lite, sa Yaghi, som innehar UCLA:s Irving och Jean Stone ordförande i fysikaliska vetenskaper och leder CNSI:s Center for Reticular Chemistry. "Istället för att bara ha en partikels yttre yta, vi borrar små hål för att dramatiskt öka ytan. "

Med huvudförfattaren Hiroyasu (Hiro) Furukawa, medförfattare Jaheon Kim och kollegor, Yaghi rapporterar om två material som inte bara slår porositetsrekordet, men gör det med en extremt stor marginal. Materialen är MOF-200, gjord vid UCLA av Furukawa, en postdoktor i Yaghis laboratorium, och MOF-210, gjord vid Seouls Soongsil University i Sydkorea av Kim, en kemiprofessor och tidigare doktorand i Yaghis laboratorium, och kollegor.

"Vi har inte bara gjort stegvisa framsteg med MOF:er, sa Yaghi, vars forskning överlappar kemi, materialvetenskap och teknik. "Det som är speciellt med MOF-200 och MOF-210 är att de närmar sig gränsen för vad du kan få i ett material. Vi kanske kan designa bättre strukturer, men de blir inte lätta att göra. "

Uppfanns av Yaghi i början av 1990-talet, MOFs är som ställningar gjorda av länkade stavar, med porer i nanoskala som har rätt storlek för att fånga koldioxid. Komponenterna i MOF kan ändras nästan efter behag, och Yaghis laboratorium har gjort flera hundra MOF, med en mängd olika egenskaper och strukturer.

Sedan 1999, MOFs har haft rekordet för att ha den högsta porositeten av något material. MOF kan tillverkas av billiga ingredienser, såsom zinkoxid, en vanlig ingrediens i solskyddsmedel, och tereftalat, som finns i läskflaskor av plast.

Yaghi upptäckte nyckeln till att göra mycket porösa strukturer, som han och kollegor rapporterade i tidningen Natur 2004 (MOF-177 slog det tidigare porositetsrekordet, som hade hållits sedan 1999 av Yaghis MOF-5) och i Vetenskap 2005. Sedan dess har kemister har tävlat om att skapa högre och högre ytor för material, med den högsta porositeten.

Nu Yaghi, Furukawa och Kim har gjort MOF som är dubbelt så poros som MOF-177, tre gånger porositeten för MOF-5 och 10 gånger porositeten för det mest porösa materialet före 1999. Detta innebär att de nu kan lagra dubbelt så mycket gas som de kunde 2004, en enorm ökning.

"Om jag tar ett gram MOF-200 och löser upp det, det kommer att täcka många fotbollsplaner, och det är utrymmet du har för gaser att montera, " sa Yaghi. "Det är som magi. Fyrtio ton MOF är lika med hela Kaliforniens yta.

"Detta är bara början på MOF, " han sa, "för nu kan vi se plattformen för material som vi kan bygga på. Inom vetenskap, att nå gränsen genom experiment är magnifik, och nu kan vi testa egenskaperna hos dessa material för olika applikationer. Krav för att göra ett livskraftigt material för koldioxidavskiljning är hög kapacitet och hög selektivitet. Vi rapporterade tidigare om hur man får hög selektivitet för koldioxid; nu visar vi hur man får hög kapacitet. De industriella applikationerna håller på att distribueras eller, i vissa fall, håller på att utvecklas. Många företag arbetar med utvecklingen av MOF."

Till exempel, BASF, ett globalt kemiföretag baserat i Tyskland, gör stora mängder MOF, som säljs av Sigma-Aldrich, ett life science och högteknologiskt företag.

Yaghi, Furukawa och Kim rapporterar också in Vetenskap rekord för koldioxidlagringskapacitet. MOF-200 och MOF-210 tar upp den största mängden väte, metan och koldioxid, efter vikt, någonsin uppnått.

Den 12 februari i år, Yaghi, UCLA doktorand Hexiang Deng, Furukawa och UCLA-kollegor rapporterade in Vetenskap deras skapande av en syntetisk "gen" som kunde fånga upp koldioxidutsläpp.

Koldioxid förorenar jordens atmosfär och skadar korallrev och marint liv — effekter som är oåterkalleliga under vår livstid, sa Yaghi.

Med den nya forskningen, det är nu möjligt att utveckla den syntetiska genen med MOF-200 och MOF-210, vilket ger den en mycket större yta.

"MOF är en materialklass utan motstycke av alla andra, " sade Yaghi. "MOFs är bland den största klassen av material som någonsin gjorts, i antal, variation och mångfald av komposition. "

Furukawa, som har arbetat i Yaghis laboratorium i sju år, tog sin doktorsexamen. från University of Tokyo.

"Hiro upptäckte ett sätt att helt evakuera lösningsmedlet som annars skulle fylla hålen, som gav tillgång till porositeten, " sa Yaghi. "Det var magin."

Att lära sig av "As the World Turns" och "Three's Company"

När Furukawa kom till USA på ett japanskt stipendium, han talade nästan ingen engelska.

Yaghi, en av världens stora forskare, minns utan förlägenhet hur han såg "As the World Turns" och "Days of Our Lives" för att lära sig engelska när han kom till New York från Jordanien vid 15 års ålder.

"När jag hämtade Hiro, "Sa Yaghi, "Jag trodde, "Han har ingen aning om världen han kommer in i" - Amerika eller mitt labb. Jag sa till honom, 'Jag kommer inte att prata med dig förrän du köper en liten TV och du ser såpoperor varje dag; Jag vill att du ska lära dig engelska.' Sättet jag lärde mig engelska var att läsa tidningen med en ordbok och stryka under ord som jag inte förstod. Nästan varannan rad hade ett understruket ord som jag slog upp, men man lär sig väldigt snabbt. Jag såg såpoperor, för. Jag brukade springa tillbaka till mitt rum från skolan för att se vad som hände. Berättelserna rör sig inte särskilt snabbt; det är nästan som att forska. "

Furukawa tog Yaghis råd och såg repriser av "Three's Company".

"Jag förstod det inte först, " han sa, "men senare, det var lätt att följa."

Hur bestämmer Yaghi vilka studenter som ska accepteras till hans laboratorium?

"Du måste titta in i deras ögon och se om det finns passion och energi, "Sade Yaghi." Teknisk förmåga måste kopplas till förmågan att utnyttja din potential och höja ditt sinne. "

Furukawa arbetar ofta till 04:00, ofta på sin dator hemma.

"När jag vill avsluta något, Jag gillar att fortsätta jobba, " han sa.

"Det bästa jag lärde mig av professor Yaghi, "Furukawa sa, "är inte kemi utan hans sätt att tänka. När jag gick med i hans grupp, Jag blev mycket förvånad eftersom jag aldrig har sett en professor som tänker som han i Japan. Han publicerar bara exceptionella resultat. Det är därför han är fältets ledare. Han motiverar oss att hitta genombrott, nya koncept och världsrekord. Erfarenheten av att arbeta i hans laboratorium har definitivt förbättrat mitt sinne och min tankeprocess."