Ett team av UConn-kemister har upptäckt ett nytt sätt att tillverka en klass av porösa material som möjliggör större tillverkningskontroller och har betydligt bredare tillämpningar än den långvariga industristandarden.

Processen, mer än tre år på gång och beskrivs i december 2013 -upplagan av Naturkommunikation , har resulterat i skapandet av mer än 60 nya materialfamiljer hittills, med potential för många fler. Den viktigaste katalysatorn i processen är återvinningsbar, gör det till en "grön" teknik.

Fyra patentansökningar relaterade till upptäckten är under behandling. VeruTEK, ett kemiskt innovationsföretag baserat i South Windsor, Anslutning, har säkrat rättigheter till några av materialen.

"Detta är definitivt det mest spännande projekt jag har varit involverad i under de senaste 30 åren, " säger styrelsen, framstående professor Steven L. Suib, projektets huvudutredare. "Det vi har gjort liknar att upptäcka en ny insekt, först nu finns det en serie familjer av dessa saker som kan upptäckas. Det är ganska coolt."

Forskningen är det första stora arbetet som kommer från universitetets nya GEMS Center of Excellence. Mitten, som har fått sitt namn från förkortningen Green Emulsions, Miceller och ytaktiva ämnen, ligger på Institutionen för kemi i College of Liberal Arts and Sciences.

Suibs forskning handlar om att skapa enhetliga, eller monomodal, mesoporösa metalloxider som använder övergångsmetaller som mangan, kobolt, och järn. Mesoporous beskriver storleken på porerna i materialet. I detta fall, de är mellan 2 och 50 nanometer i diameter och är jämnt fördelade över materialets yta, liknande vad man kan se om en stift används för att sticka många hål i ett material. Endast UConn-processen tillåter forskare att använda kväveoxidkemi för att ändra diametern på "stiftet, " för att ändra storleken på hålen. Detta unika tillvägagångssätt hjälper till att begränsa kemiska reaktioner och ger oöverträffad kontroll och flexibilitet.

"Professor Suib och hans kollegor rapporterar om en oväntad och ny väg till generering av mesoporösa metalloxider, " säger Prabir Dutta, framstående universitetsprofessor i kemi och biokemi vid Ohio State University. "Professor Suibs upptäckt och utvidgningen av mesoporositet till ett mycket bredare spektrum av metalloxider kommer definitivt att driva detta område till nya höjder, med alla möjliga möjliga tillämpningar, gör denna studie till en mycket viktig utveckling inom materialvetenskap."

Att ha material med enhetliga mikroskopiska porer tillåter riktade molekyler av en viss storlek att flöda in i och ut ur materialet, vilket är viktigt i sådana applikationer som adsorption, sensorer, optik, magnetisk, och energiprodukter såsom de katalysatorer som finns i bränsleceller.

"När människor tänker på dessa material, de tänker på lås-och-nyckel-system, " säger Suib. "Med vissa enzymer, du måste ha porer av en viss storlek och form. Med denna process, du kan nu göra en behållare för specifika proteiner eller enzymer så att de kan komma in i porerna och specifikt binda och reagera. Det är hoppet, att kunna göra en por som gör att sådana material kan passa, att kunna göra en por som en vetenskapsman behöver."

Under de senaste 20 åren, forskare har förlitat sig på en långvarig, vattenbaserad procedur för att tillverka mesoporösa material som först utvecklades av Mobil Oil. Det förfarandet, även om det var banbrytande när det upptäcktes, har begränsningar. Storleken på porerna i materialet är svår att manipulera; väggarna hos de resulterande mesoporösa strukturerna är amorfa; och stabiliteten hos det underliggande systemet försvagas när det utsätts för hög värme, begränsa dess användning. Processen fungerar bara bäst när man använder kisel eller titan, i motsats till andra metaller i det periodiska systemet.

UConns kemister tog en annan väg, väljer att ersätta den vattenbaserade processen med ett syntetiskt kemiskt ytaktivt ämne som liknar ett tvättmedel för att skapa mesoporerna. Genom att minska användningen av vatten, tillsats av det ytaktiva ämnet, utsätt sedan de resulterande nanopartiklarna för värme, forskargruppen fann att det kunde generera termiskt kontrollerade, termiskt stabil, enhetliga mesoporösa material med mycket starka kristallina väggar. Mesoporerna, Suib säger, skapas av de luckor som bildas mellan de organiserade nanopartiklarna när de samlas ihop. Teamet fann att storleken på dessa luckor eller porer kunde skräddarsys – ökas eller minskas – genom att justera nanostrukturens exponering för värme, ett stort framsteg i syntesprocessen.

"En sådan kontroll av porstorleksfördelning, ökade porvolymer, och termisk stabilitet är oöverträffad …, " skrev laget i sin rapport.

Kanske lika viktigt, teamet fann att processen framgångsrikt kunde tillämpas på en mängd olika element i det periodiska systemet. Också, det ytaktiva ämnet som används i syntesen är återvinningsbart och kan återanvändas efter att det extraherats utan att skada slutprodukten.

Medveten om betydelsen av dess resultat, Suibs team väntade medvetet med att publicera sin rapport tills de hade verifierat olika applikationer med en mängd olika periodiska element. Även nu, laget tror att det bara har skrapat på ytan.

"Vi utvecklade mer än 60 materialfamiljer, " säger Suib. "För varje enskilt material vi tillverkade, du kan få dussintals andra att gilla det. Du kan dopa dem genom att tillsätta små mängder föroreningar. Du kan ändra deras egenskaper. Du kan göra sulfider förutom oxider. Det finns mycket mer forskning som behöver göras."

UConn-forskningen finansierades av U.S. Department of Energys division Basic Energy Sciences genom en $420, 000 anslag under tre år. Suib säger att en särskild medlem i forskargruppen, Altug S. Poyraz, en "enormt begåvad" doktorand som tar sin doktorsexamen vid UConn, var avgörande för projektets framgång. Poyraz tillbringade otaliga veckor med att tålmodigt utforska olika metoder för processen tills teamet fann framgång.

"Han är verkligen en unik student och förmodligen den bästa syntetiska kemisten jag någonsin sett, sade Suib, som också fungerar som chef för UConn's Institute of Materials Science.

Suib tror att processen kommer att vara attraktiv för industrin eftersom den är enkel, kostnadseffektiv, och grönt.