Vad gör din hud, kläderna du bär, och jorden du står på har gemensamt? De är alla porösa ämnen. Som en svamp, deras ytor är täckta med små hål som gör att vätskor och gaser kan passera igenom. Porösa material är utbredda i hela vår värld, och de med porer i nanoskala - kallade mesoporösa material - utgör allt från kemiska katalysatorstöd till gaslagringskammare och separationsmembran.

Hittills, forskare har kämpat för att tillverka starka mesoporösa material; dock, de har framgångsrikt utvecklat "mikroporösa" material. Dessa material har ännu mindre porer, mäter mindre än två nanometer. Forskare konstruerar dessa otroligt små material med hjälp av konceptet "molekylärt ramverk", där små, stela molekyler är sammankopplade för att generera en kontinuerlig struktur. Även om bristen på lämpliga byggstenar i den mesoporösa regimen (två till 50 nanometer) har hindrat forskare från att utveckla starka mesoporösa material, ett forskargrupp vid University at Buffalo (UB) har nu löst detta problem.

"När du kommer till en viss storlek, de flesta molekyler blir för flexibla och är inte tillräckligt starka för att upprätthålla materialets poreram, "sa Dmytro Nykypanchuk, en forskare vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) - en amerikansk Department of Energy Office of Science User Facility som ligger vid Brookhaven National Laboratory. "Detta har fått forskarna vid UB att utveckla ett helt nytt tillvägagångssätt för syntesen av mesoporösa material."

I ett papper publicerat i ACS Nano , forskarna beskriver att syntetisera ett nytt material från flaskborste -sampolymerer, en gigantisk molekyl med speciell arkitektur. Dessa molekyler har borst som kommer från en ryggrad med ändblock. Forskargruppen förutspådde att denna unika kombination av reaktiva komponenter i en enda molekyl skulle bilda ett starkt material med kontrollerbara porer. Specifikt, sidokedjorna kan fungera som extra styva sammankopplingar, medan de reaktiva ändblocken kan hjälpa flera flaskborstmolekyler att binda ihop.

"Flaskborste -sampolymerer ger en unik plattform för tillverkning av mesoporösa material, "sa Javid Rzayev, projektets ledande forskare och kemiprofessor vid UB. "Genom att manipulera deras molekylära arkitektur, vi kan kontrollera den molekylära styvheten och riktningen av intermolekylära interaktioner. Detta har gjort det möjligt för oss att utveckla ett mesoporöst material med molekylärt avstämbara parametrar. "

För att bekräfta deras resultat, UB-forskargruppen analyserade det nya materialets struktur vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), också en DOE Office of Science User Facility. Med hjälp av en teknik som kallas liten vinkel röntgenspridning, laget riktade de ljusa röntgenstrålarna från beamline 11-BM-en strållinje byggd i ett partnerskap mellan NSLS-II och CFN-för att observera hur ljus studsar av atomerna i materialet. Studien visade att det nya materialet var mycket annorlunda än det som producerats med traditionella metoder. Eftersom varje por konstruerades av flera makromolekyler, det nyutvecklade materialet hade ett mycket större antal porer per volym, medan porerna uppvisade enhetliga dimensioner och bibehöll sin styvhet. Viktigast, forskarna kunde kontrollera porerna genom att manipulera strukturen hos flaskborste -sampolymererna.

"Eftersom porerna definieras av molekylär arkitektur, forskare har mycket mer kontroll över porstorleken och egenskaperna hos dessa material än de gjorde tidigare, "Sa Nykypanchuk.

Med en robust och kontrollerbar ram att arbeta bort, forskare kan nu undersöka sätt att förbättra mesoporösa material, såsom att ändra porernas natur för att göra dem katalytiskt aktiva.