W ruchu, który sprawiłby, że mezopotamski dmuchacz szkła skinąłby z uznaniem (gdyby wiedział, co to wychwytywanie węgla), naukowcy wzięli chemiczną sztuczkę stosowaną od tysiącleci w zwykłym szkle i zastosowali ją w kosmicznym materiale zwanym szkłem metaloorganicznym (MOF). Wyobraź sobie szkło MOF jako dziecko atomów metalu i cząsteczek organicznych – porowatą, zaawansowaną technologicznie gąbkę, która świetnie wychwytuje gazy, takie jak dwutlenek węgla i wodór, a nawet wyrywa wodę z powietrza.

Międzynarodowy zespół, z mózgami z TU Dortmund i University of Birmingham, opublikował swoje odkrycia w Nature Chemistry 4 maja. Odkryli, że dodając maleńkie związki chemiczne zawierające sód lub lit – podobnie jak starożytni rzemieślnicy modyfikowali swoje receptury szkła – mogą obniżyć temperaturę, w której szkło MOF mięknie, i sprawić, że będzie łatwiej płynąć po podgrzaniu. To może zmienić produkcyjny koszmar w łatwy do opanowania sen.

Dr Dominik Kubicki z University of Birmingham ujął to elegancko: „Szkło jest częścią ludzkiej cywilizacji od tysiącleci. Od starożytnej Mezopotamii po nowoczesne kable światłowodowe, niewielkie ilości modyfikatorów chemicznych ułatwiają obróbkę szkła i zmieniają jego właściwości funkcjonalne.” Problem ze szkłami MOF? Miękną tylko w wysokich temperaturach – powyżej 300 °C – co jest niebezpiecznie blisko punktu, w którym zaczynają się degradować. To nowe odkrycie otwiera możliwości dla przyszłych materiałów o wysokiej wydajności bez topnienia.

Jednym z gwiazdorskich szkieł MOF jest ZIF-62, porowaty cud, który można stopić i schłodzić w szkło, zachowując jego wewnętrzne pory – pomyśl o tym jak o szwajcarskim serze dla cząsteczek. Profesor Sebastian Henke z TU Dortmund wyjaśnił, że ich podejście jest bezpośrednio inspirowane tym, jak modyfikuje się konwencjonalne szkła krzemianowe: „zakłócanie struktury sieci w celu dostrojenia zachowania podczas topnienia i właściwości mechanicznych.”

Aby dowiedzieć się, jak sód robi swoje, naukowcy z University of Birmingham (pod kierunkiem dr Dominika Kubickiego i dr Benjamina Gallanta) użyli badań na poziomie atomowym i wysokotemperaturowej spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) w stanie stałym w UK High-Field Solid-State NMR Facility. Tymczasem inny zespół z Birmingham – pod kierunkiem profesora Andrew Morrisa i dr Mario Ongkiko – wdrożył modelowanie obliczeniowe wspomagane sztuczną inteligencją, aby zrozumieć złożone dane NMR. Symulacje wspomagane uczeniem maszynowym potwierdziły, że sód nie tylko wyleguje się w pustych przestrzeniach materiału; faktycznie zastępuje niektóre atomy cynku, rozluźniając strukturę szkła i zmieniając jego właściwości.

Teraz, gdy naukowcy złamali kod modyfikowania tych materiałów, przyznają, że potrzeba więcej pracy, aby poprawić stabilność, przewidzieć zachowanie i przetestować wydajność w rzeczywistych technologiach. Ale na razie to szklanka do połowy pełna – CO2, wodoru i nadziei.

W badaniu wzięli udział naukowcy z Technische Universität Dortmund, University of Birmingham, Ruhr-University Bochum, SRM University-AP, Technical University of Munich i University of Cambridge. Materiały dostarczone przez University of Birmingham. (Treść mogła zostać zredagowana pod kątem stylu i długości, bo nawet nauka potrzebuje przycięcia.)