ترکیب یک مولکول آلی قفسی شکل محکم با حلالی حجیم به محققان امکان تولید مایعات دارای تخلخل دائمی را داده است.
. این کلاس جدید از مواد متخلخل مزایا و خواص یک مایع و یک جامد جاذب را به طور همزمان دارد. از این ماده می‌توان در زمینه‌های مهم از جمله کاتالیز و جذب کربن استفاده کرد. مواد جامد متخلخل از جمله زئولیت (zeolite) و سازه‌های فلزی-آلی (Metal-Organic frameworks (MOFs)) در فرآیندهای شیمیایی بسیاری استفاده می‌شوند. این مواد از نظر ساختاری سفت و محکم هستند و حفره‌هایی دائمی در ابعاد و شکل‌های منظم دارند. در مقابل، تخلخل در مایعات معمولی به صورت حفره‌هایی گذرا بین مولکول‌های آنهاست. علیرغم کاربرد فراوان این مواد، ماهیت جامد زئولیت و MFOها می‌تواند محدودیت‌هایی در زمینه‌های مختلف ایجاد کند. از این رو موادی که خواص سیالیت و تخلخل دائم را به طور همزمان دارند بسیار مورد علاقه‌ی دانشمندان هستند.
یک تیم بین‌المللی متشکل از دانشمندان انگلیسی، فرانسوی، آلمانی و آرژانتینی اکنون قادر به طراحی و آماده سازی مایعات با تخلخل دائمی با استفاده از مولکول‌های آلی قفسی شکل محکم شده‌اند. مزیت این قفس‌ها قابلیت حل شدن آنها در سایر مواد بدون شکستن هیچ پیوند شیمیایی است که منجر به ایجاد واحدهای متخلخل حل شونده می‌شود. محققان این تیم اشاره می‌کنند که مایع مولکولی متخلخل آنها تفاوت اساسی با مایعات ماکرومولکولی متخلخل حاوی کره‌های توخالی کلوئیدی سیلیکا دارند. در این باره Stuart James از دانشگاه Queens بلفاست انگلیس توضیح می‌دهد: «ما این مولکول‌های قفسی شکل را که فضایی خالی درون خود دارند که از طریق پنجره‌های کوچکی در دسترس است در غلظت بسیار بالا در حلالی با مولکول‌های بسیار بزرگ (که قابل عبور از این پنجره‌ها نباشند) حل کردیم. بدین ترتیب مایعی تولید کردیم که حفره‌های خالی در آن شناور هستند.»
zeolite
محققان این تیم ابتدا مولکول‌های قفسی شکل را در مایعی متشکل از اترهای تاجی (واحدهای شیمیایی حاوی چند زیرگروه اتری) حل کردند. به منظور دستیابی به حلالیت بالا در حلال حجیم، این تیم هر قفس را با شش گروه اتر تاجی عامل‌دار کردند. بدین ترتیب آنها توانستند یک فاز مایع غلیظ که علیرغم غلظت بالای قفس‌ها در دمای اتاق قابل جریان پیدا کردن است به دست بیاورند.
به گفته‌ی Michael Mastalerz استاد شیمی آلی در دانشگاه هایدلبرگ آلمان، اهمیت کار این تیم در این است که برای اولین بار می‌بینیم یک مایع می‌تواند به طور دائمی متخلخل شود. وی توضیح می‌دهد که چالش موجود برای تولید این گونه مایعات طراحی مولکولی بود که یا به طور ذاتی مایع باشد یا در حلالی که قابلیت عبور از حفره‌های مولکولی را ندارد به خوبی حل شود. وی می‌گوید: «معمولاً برای افزایش حلالیت یا کاهش نقطه‌ی ذوب یک مولکول بزرگتر از زنجیرهای طولانی یا شاخه‌دار آلکیل استفاده می‌شود. اما زنجیرهای آلکیل خطی می‌توانند در حفره‌های مولکول‌های مجاور نفوذ کنند که نتیجه در مایعات غیرمتخلخل می‌دهد. این تیم تحقیقاتی از روشی هوشمندانه برای حل این مشکل استفاده کرده‌اند: آنها یک مولکول متخلخل حاوی اتر تاجی را با یک اتر تاجی ترکیب کردند.»
محققان ماده‌ی جدید را با ترکیب شبیه‌سازی دینامیک مولکولی و طیف‌سنجی طول عمر نابودی پوزیترون (روشی مورد استفاده برای مطالعه‌ی حفره‌ها و نقص‌های موجود در جامدات) شناسایی کردند و به این نتیجه رسیدند که این مایعات متخلخل قادر به حل مقادیر بسیار زیاد گاز هستند. در این باره James توضیح می‌دهد: «مولکول‌های کوچک گاز مانند متان قادر به گذر از پنجره‌ها و راه یافتن به تخلخل‌ها بودند. بدین ترتیب مشاهده کردیم که این حفره‌ها حلالیت این گاز را به شدت افزایش می‌دهند.» تیم تحقیقاتی نشان داد که قفس‌های با گروه‌های جانبی کوچک نیز می‌توانند برای تولید مایعات متخلخل استفاده شوند. این کار با مخلوط قفس‌هایی از مواد تجاری در دسترس انجام شد. در هر دو حالت نکته دوری از گروه‌های عاملی با قابلیت نفوذ به حفره‌های قفس‌های مولکولی است.
اما با توجه به گفته‌های Mastalerz سطح تماس و جذب کلی گازها در مایعات متخلخل هنوز بسیار کمتر از زئولیت و MFOهاست. وی می‌گوید: «در حال حاضر این ماده نمی‌تواند با زئولیت و MFO جامد رقابت کند و مایعات متخلخل دائمی باید فعلاً به عنوان یک نمونه‌ی اولیه از یک کلاس جدید مواد دیده شود. با این وجود این ماده مزایای فراوانی دارد زیرا حالت مایع دارد و می‌تواند برای مثال از طریق لوله‌ها پمپ شود. از این خاصیت می‌توان در آینده در زمینه‌ی جداسازی و یا حمل و نقل استفاده کرد.»
منبع:
Scientific American
منابع مفيد:
مولکول‌هاي آلي- قسمت اول
مولکول‌هاي آلي- قسمت دوم
گروه‌هاي آلکيل
نانوتکنولوژي- بحش دوم
جاذبه الکتروستاتيک
ابداع مايعي که متخلخل است!
تاج‌ها و حفره‌هاي شيميايي- تبيان
کرون-اتر: ويکيپديا
زئوليت-ويکيپديا
Chemistry World