Європейським вченим вперше вдалося об’єднати звичайне скло з металоорганічними каркасами і тим самим покращити його механічні властивості. У своєму дослідженні хіміки об’єднали розплавлене фосфатне та “органічне” скло і отримали новий клас взаємозалежних матеріалів. Вони покладаються на металоорганіку як на найбільш гнучкий з точки зору модифікації структури матеріал, що дасть змогу зменшити крихкість звичайного скла, повідомляється у статті, опублікованій в журналі Nature Communications.
Цифрова мікроскопія скла з металоорганічного каркаса (а), звичайного скла (b) та композиту (c) після 1-хвилинної (згори) та 30-хвилинної термообробки / Nature Communications, 2020
Навіщо поєднувати скло з органікою?
Властивості скла, а особливо його прозорість, термічна і хімічна стійкість, забезпечили йому велику кількість застосувань. Однак цей матеріал з усією його твердістю, все ж залишається крихким - через це тріскаються екрани смартфонів і б’ється посуд. Це пов’язано з тим, що скло належить до аморфних речовин, а отже атоми всередині нього не мають суворого порядку розташування і структурні пустоти утворюють дефекти, які потім ведуть до руйнування. У новій роботі дослідники з університетів Єни та Кембриджу вирішили спробувати покращити експлуатаційні показники скла, об’єднавши його з металоорганічними каркасами(metal-organic frameworks, MOFs) - координаційних полімерів, структура яких складається з іонів металів, пов'язаних органічними лігандами.
Створення металоорганічних каркасів стало проривом у сфері металоорганіки - розділі хімії, який поєднує органіку та неорганіку в з’єднаннях металу та вуглецю. Головною їх особливістю є надвисока пористість структури, яка дає змогу помістити майже будь-який матеріал всередину, наприклад, для адресної доставки ліків, та можливість контролювати розміри, форму та властивості кристалів ще на етапі їхнього виготовлення. Це дає змогу створювати майже нескінченне різноманіття можливих структур, деякі з яких можна перетворити на склоподібні завдяки термообробці. І на думку вчених, комбінація такого скла зі звичайним могла би змінити його механічні особливості, об’єднавши в’язкість та пластичність одного з твердістю іншого. Однак, щоб отримати дійсно нові властивості, наприклад, електропровідність або механічний опір, потрібно не просто змішати, а створити хімічний зв’язок цих двох матеріалів.
Як їм це вдалося?
Насправді об’єднання цих матеріалів можливе завдяки їхній будові: висока взаєморозчинність дає змогу вводити нові структури у проміжку між різними станами матеріалу. Так отримують, наприклад, боро- та алюмосилікати і лужне скло. Ключовим фактором був вибір скла, температура склування якого була би близькою до температури склування металоорганічного каркаса. Вчені обрали фосфатне скло та “органічне” скло з гексагідрату нітрату цинку, імідазолу та бензимідазолу, щоб змішати компоненти ще у стані рідких фаз для утворення більш сильного зв’язку. Потім суміш нагрівали при 130 градусах Цельсія, а після 48 годин, утворили з неї порошок. Скло з порошку отримали, активувавши його добовим замочуванням у дихлорметані та повторним нагріванням до 175 градусів Цельсія.
Це краще за звичайне скло?
Експериментальні дослідження нового матеріалу показало, що він є більш пластичним та механічно стабільнішим за звичайне скло, а дві різні температури склування при охолодженні вказують на те, що у композитному склі, домени кожного окремого компоненту зв’язалися в єдину структуру. Створення матеріалів з взаємозалежних металоорганічного та неорганічного скла становить інтерес як прототип нового класу матеріалів з механічними і електричними властивостями, притаманними обом компонентам. Це дасть можливість змінювати фізичні, хімічні та електричні властивості величезної кількості неорганічних скел, які використовують для дисплеїв телефонів або захисних покриттів. Скло як матеріал дуже цікавить вчених, але нам насправді не так багато про нього відомо - наприклад, лише зовсім нещодавно вченим вдалося з’ясувати причину його міцності.