کریستال تطبیقی ​​می تواند به طور انتخابی CO2 را جذب کند و مولکول های مشابه را تشخیص دهد

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

زمانی که مولکول ها دارای اندازه و خواص مشابه باشند، جداسازی شیمیایی می تواند انرژی بر باشد. محققان موسسه فناوری شیباورا ژاپن اکنون یک کریستال تطبیقی ​​بین لایه ای ساخته اند که فاصله آن را برای شناسایی مولکول های خاص تغییر می دهد.

کریستال جذب CO2 قابل توجهی را در فشارهای کم 2.0 Pa (195 K) نشان داد و CO2 را به طور انتخابی از نیتروژن و متان در 303 K جدا کرد، حتی در شرایط بسیار مرطوب. همچنین ترجیحا بنزن را نسبت به چندین مولکول مشابه جذب کرد و رویکرد جدیدی برای جداسازی مولکولی ارائه کرد.

جداسازی شیمیایی یکی از پر انرژی ترین عملیات در صنعت مدرن است که فرآیندهای جداسازی مانند تقطیر تخمین زده می شود که تقریبا 10 تا 15 درصد از مصرف انرژی جهانی را تشکیل می دهد و نیاز به رویکردهای کارآمد برای جذب و تصفیه کربن را ایجاد می کند.

مواد متخلخل معمولی اغلب به اندازه منافذ و قدرت جذب متکی هستند، که می تواند برای تشخیص مولکول هایی با ابعاد مشابه مشکل داشته باشد. بنابراین محققان بررسی کردند که آیا یک کریستال می تواند فضای داخلی خود را با مولکول های ورودی تطبیق دهد یا خیر.

برای مقابله با این چالش، یک تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور آکیکو هوری، همراه با دانشجویان فارغ التحصیل ماساهیرو آبه و توموکی جیتسوکاتا از موسسه فناوری شیباورا، ژاپن و پروفسور ریوتارو ماتسودا از دانشگاه ناگویا، ژاپن، یک کریستال تطبیقی ​​بین لایه ای (LAC) ایجاد کردند. این ماده از لایه های نازکی ساخته شده است که با نزدیک شدن مولکول های خاصی می توانند از هم جدا شوند.

یافته های آنها در مجله Angewandte Chemie International Edition منتشر شده است.

هوری می‌گوید: «به جای تکیه بر اندازه مولکولی، ما بر ممان چهار قطبی منفی CO2 متمرکز شدیم و به دنبال استفاده از مکملیت الکترواستاتیکی به عنوان یک اصل جدید برای جداسازی انتخابی بودیم. کریستال لایه ای به طور غیرمنتظره ای نشان داد که فضای بین لایه ای آن می تواند در پاسخ به مولکول های مهمان منبسط شود.

در حالت بدون مهمان، کریستال حاوی مایکرو منافذی با قطر 2.6 Å است. این فضاها برای استفاده به عنوان مسیرهای معمولی برای CO2 بسیار کوچک هستند، اما به عنوان محرک عمل می کنند. سطوح آروماتیک فلوئوردار، نواحی پلاریزه مثبتی را ایجاد می‌کنند که به نفع مولکول‌هایی با توزیع الکترواستاتیک مکمل هستند. هنگامی که یک مهمان مناسب نزدیک می شود، لایه ها از هم جدا می شوند و به مولکول های بزرگتر اجازه ورود می دهند.

این رفتار تطبیقی ​​به ویژه برای CO2 قابل توجه بود. در 195 K، جذب قابل‌توجه CO2 در فشارهای پایین 2.0 Pa مشاهده شد که به حدود 0.2 مولکول در هر واحد [Zn(L)Py]2 در 26 Pa و حدود 2.0 مولکول در واحد در 98 کیلو پاسکال رسید.

حتی در 298 K، جذب در 0.58 مول mol-1 نزدیک به 98 کیلو پاسکال قابل توجهی باقی ماند. گنجاندن CO2 باعث انبساط برگشت پذیر در امتداد محور a می شود، که نشان می دهد جذب به جای پر کردن اولترامیکرو منافذ اصلی، شامل سازگاری ساختاری است.

این ماده همچنین CO2 را از نیتروژن و متان متمایز می کند. در 303 K، CO2 طولانی تر از هر دو گاز حفظ شد. در شرایط خشک، تاخیر پیشرفت آن در حدود 60 ثانیه نسبت به نیتروژن و 52 ثانیه نسبت به متان بود.

این گزینش پذیری در شرایط بسیار مرطوب، با جذب CO2 0.25 mol mol-1 برای CO2 / N2 و 0.21 mol mol-1 برای CO2 / CH4 باقی مانده است. این یافته ها به سودمندی برای تصفیه گاز اشاره دارد.

این کریستال همچنین می تواند مولکول های آلی بزرگتر را تشخیص دهد. اگرچه بنزن حدود 5.9 Å عرض دارد، بیش از دو برابر قطر منافذ ذاتی، اما وارد کریستال منبسط شده می شود.

با بیش از 100000 مشترک که برای اطلاعات روزانه به Phys.org متکی هستند، جدیدترین علم، فناوری و فضا را کشف کنید. برای خبرنامه رایگان ما ثبت‌نام کنید و از پیشرفت‌ها، نوآوری‌ها و تحقیقات مهم - روزانه یا هفتگی - به‌روزرسانی دریافت کنید.

هنگامی که این کریستال در معرض مخلوط بنزن-هگزافلوئوروبنزن هم مولار قرار گرفت، تقریبا از نظر کمی بنزن را در خود جای داد و به حدود 97 درصد ظرفیت گنجایش بنزن خود رسید، در حالی که هیچ مدرکی از درج هگزا فلوروبنزن مشاهده نشد. بنزن همچنین در آزمایش‌های رقابتی به شدت نسبت به سیکلوهگزان و سیکلوهگزن مورد علاقه قرار گرفت و به‌جای اندازه مولکولی به تنهایی، تشخیص را بر اساس مکملی الکترواستاتیکی نشان داد.

هوری می‌گوید: «جداسازی‌های شیمیایی اغلب به منافذ سفت و سخت یا فرآیندهای انرژی‌بر بستگی دارد، اما کریستال ما مستقیما به برهمکنش‌های مطلوب با مولکول‌های انتخاب شده پاسخ می‌دهد. این مکانیسم تطبیقی ​​می‌تواند مسیری را به سوی جذب کربن دی‌اکسید با کارآمدتر انرژی و جداسازی ترکیبات آلی نزدیک مرتبط که تشخیص آنها با روش‌های مرسوم دشوار است، فراهم کند.

به طور کلی، این مطالعه کریستال های تطبیقی ​​بین لایه ای را به عنوان یک رویکرد جدید برای تشخیص مولکولی ایجاد می کند که جذب مواد متخلخل را با دقت کریستالی مولکولی ترکیب می کند.

سطوح فلوئوردار تشخیص مهمان را هدایت می کنند و باعث گسترش لایه برگشت پذیر می شوند، جذب CO 2 را در فشار بسیار کم، جداسازی انتخابی از نیتروژن و متان در شرایط بسیار مرطوب و تشخیص بنزن انتخابی را امکان پذیر می کنند.

این مفهوم می تواند از تصفیه CO2، جداسازی ترکیبات آلی، حمل و نقل مولکولی کنترل شده، واکنش های محدود و مواد پاسخگو به مهمان پشتیبانی کند.

ماساهیرو آبه و همکاران، CO 2 با فشار پایین و شناسایی معطر توسط کریستال تطبیقی ​​بین لایه‌ای از برگه‌های هماهنگی روی عملکردی شده با حفره (II)، Angewandte Chemie International Edition (2026). DOI: 10.1002/anie.4090353

اطلاعات مجله: Angewandte Chemie International Edition

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →