После своего открытия 25 лет назад металлоорганические каркасы (MOF) быстро приобрели ауру «чудесного материала» благодаря своим особым свойствам: их большие внутренние поверхности и настраиваемый размер пор облегчают их применение, например, в разделении материалов и газовых средах.

В то время как предыдущие представители в основном основывались на переходных металлах, таких как медь и цинк, группа из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) исследовала более экзотические части периодической таблицы: они исследовали аналогичные соединения с актинидами в качестве неорганического компонента. Таким образом, они помогают, среди прочего, способствовать безопасному удалению радиоактивных материалов.

Таким образом, ученые из Россендорфа заложили основу для каркасов, которые могут содержать ряд ионов актинидных металлов в качестве основного компонента, а именно торий и уран, а также трансурановые нептуний и плутоний.

«Большинство этих элементов в последней строке периодической таблицы являются искусственными. Они являются продуктом нейтронной бомбардировки или побочным продуктом в ядерном реакторе. В них люди создали чрезвычайно опасные вещества, потому что все они радиоактивны и, в в некоторых случаях они очень токсичны», — объясняет доктор Мориц Шмидт из Института экологии ресурсов HZDR.

«Это также означает, что все наши экспериментальные работы должны проводиться с соблюдением особых мер безопасности. Наша рабочая лошадка — это координационная химия или, другими словами, создание комплексов металлов с преимущественно органическими молекулами», — говорит д-р Юлиана Мерц, расширяя предпосылки. на мероприятиях команды.

В координационной химии металлоорганические каркасы являются относительно молодой областью. Высокопористые твердые тела состоят из металлов или металлокислородных кластеров, которые модульно соединены столбиками органических химикатов, создавая сети гибких полостей, напоминающие поры кухонной губки.

Первоначально исследования были сосредоточены на переходных металлах . «Хорошие перспективы для новых применений вскоре привели нас к рассмотрению элементов со сложными электронными оболочками — в первую очередь редкоземельных металлов и, наконец, актинидов. Но пока о трансурановых элементах, не встречающихся в природе, почти ничего не известно. , как нептуний и плутоний», — говорит Марц, обрисовывая хронологию.

Каркасы высокой симметрии из молекулярных строительных блоков — индивидуальные приложения

В качестве органической основы они использовали химически модифицированный антрацен, яркий пример полициклических ароматических углеводородов. «Мы знаем, что кристаллический антрацен является лучшим органическим сцинтиллятором: когда через это вещество проходит богатое энергией излучение, оно возбуждает его молекулы в результате процессов столкновения. Энергия возбуждения излучается в виде синего света. Поэтому наши каркасы также светятся», сообщает Шмидт. И они обладают еще одним особым свойством: шириной запрещенной зоны, которая является мерой энергетической разницы между валентной зоной и зоной проводимости.

«В случае полупроводников при очень низких температурах только валентная зона имеет носители заряда; в этом состоянии она непроводящая. Когда прикладывается энергия, они перемещаются в зону проводимости и, таким образом, вызывают протекание тока. Измерения показывают, что наши новый материал является одним из так называемых широкополосных полупроводников, которые играют роль, особенно в силовой электронике и сенсорных технологиях, поэтому его можно использовать в качестве детектора ионизирующего излучения, а встроенные нами актиниды обеспечивают постоянный эталон внутреннего излучения на в то же время», — говорит Шмидт.

Ранние исследования MOF исследовательскими группами по всему миру позволили синтезировать представители, которые демонстрировали все большую внутреннюю поверхность и, следовательно, стали альтернативой активированному углю и цеолитам, например, при разделении материалов или каталитических процессах. Их преимущество заключается в том, что их модульная структура позволяет реализовать различные сетевые топологии; кроме того, размер пор можно очень точно отрегулировать, выбрав соответствующий столб для предполагаемого применения, например, эффективные адсорбенты для очень специфического химического вещества.

Мерц и Шмидт пошли еще дальше, добавив новую грань в своей работе. Они определили приложения в области, в которой Институт экологии ресурсов HZDR проводит исследования: безопасное удаление радиоактивных материалов. Таким образом, исследователи рассматривают возможность разработки специальной матрицы отходов, которая иммобилизует актиниды в каркасе и продукты деления в его порах.

Исследование опубликовано в журнале Американского химического общества и основано на более ранней работе, опубликованной в обзорах координационной химии.