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新一代智能材料:通过声波打造!

导读

 

据澳大利亚皇家墨尔本理工大学官网近日报道,该校研究人员采用声波精准操控原子与分子,促进突破性的智能材料的可持续生产。

背景

 

金属有机框架(MOF),是由有机配体和金属离子或团簇,通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。

 

新一代智能材料:通过声波打造!

MOF的分子结构(图片来源:Tony Boehle Wikimedia)

 

 

MOF是一种令人难以置信的多功能、超多孔的纳米材料,可用于存储、分离、释放或者保护几乎所有的东西。MOF具有以下重要特性:多孔性及表面积大、结构和功能多样性、不饱和金属位点。这些特性使它具有强大的吸附功能和催化功能。

 

MOF预计将成为定义21世纪的材料。它非常适合感知与捕捉微量浓度的物质,净化水或空气;也可以存储大量能量,制造更好的电池以及能量存储器件。

 

新一代智能材料:通过声波打造!

由MOF材料做成的水分采集装置(图片来源:Hyunho Kim/麻省理工学院)

 

 

科学家们设计了超过8万8千种精准定制的MOF,应用范围包含从农业到药物的各个领域。但是,制造MOF的传统工艺是环境上不可持续的,并且需要花费几小时甚至几天的时间。

 

创新

 

近日,澳大利亚皇家墨尔本理工大学(RMIT University)的研究人员向我们演示了一项绿色洁净的技术,该技术可以在几分钟内生产出定制的MOF。相关论文发表在《自然通信(Nature Communications)》期刊上。

 

论文领导作者赫伯·艾哈迈德(Heba Ahmed)表示,这种高效且可扩展的方法利用了高频声波的精准能力。

 

新一代智能材料:通过声波打造!

赫伯·艾哈迈德博士手持由高频声波创造出的MOF(图片来源:RMIT)

 

 

技术

 

金属有机框架是充满分子尺寸的微洞的晶体粉末。它们拥有独特的结构(金属通过有机联接桥相互连接),并且具有非常多的孔,以至于如果你拿起一克MOF,将其内表面铺开,其面积将比一个足球场更大。

 

 

下图为某种MOF的原理图。图中线条是有机连接桥,交叉点是金属离子。黄球代表孔隙空间,可充满液体或气体。

新一代智能材料:通过声波打造!

(图片来源:伯克利实验室)

 

 

有些人预测,MOF 对于21世纪的重要性,如同塑料对于20世纪的重要性。

 

在标准的生产过程中,溶剂与其他污染物陷入MOF的洞中。为了将它们从洞中排出来,科学家们在一个称为“活化”的过程中,使用了真空和高温的结合或者有害化学溶剂。

 

在新技术中,皇家墨尔本理工大学的研究人员采用了微芯片以制造高频声波。论文合著者之一、声学专家阿姆贾德·瑞史克(Amgad Rezk)博士表示,这些声波对于人类来说是无法听到的,可以用于精准的微纳制造。

 

瑞史克表示:“在纳米级别,声波是原子和分子进行精准排序和操控的强大工具。”

 

MOF的“成分”(一个金属前体以及一个绑定的有机分子),被暴露于微芯片产生的声波中。

 

研究人员采用声波将这些元素组织和连接到一起,创造出一种高度有序且多孔的网络,同时将这些溶剂从洞中排出来以“活化”MOF。

 

首席研究研究员、特聘教授莱斯利·叶(Leslie Yeo)表示,这种新方法制造出具有空洞和大表面积的MOF,无需合成后的“活化”。

 

皇家墨尔本理工大学微/纳物理学研究实验室主任、化工系的叶教授表示:“现有技术从合成到活化通常需要花费很长时间,而我们的技术不仅几分钟内就可以生产出MOF,而且它们是已激活的,并能直接应用。”

 

新一代智能材料:通过声波打造!

声学方式制造的MOF,利用微芯片制造高频声波。(图片来源:RMIT)

 

 

研究人员通过可扩展应用于其他MOF以及高效绿色地生产这些智能材料的技术,在基于铜和铁的MOF上成功地测试了这个方案。

 

价值

 

皇家墨尔本理工大学微/纳物理学研究实验室的博士后研究员艾哈迈德表示:“MOF具有无限的潜能,但是我们需要更加洁净和快速的合成技术,从而充分利用他们的所有优势。”

 

“我们的声学驱动方法避免了传统方法所带来的环境危害,并能快速、可持续地制造随时可用的MOF。”

 

“这项技术不仅消除了制造MOF过程中最耗时的步骤,而且不留痕迹,可以经过简单扩展后进行高效量产。”

 

关键字

 

MOF、声波、制造

 

参考资料

 

原创文章,作者:环球创新智慧,如若转载,请注明出处:http://www.zgsmx.cn/4761.html

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