Учёные обнаружили трансформацию структуры и размера пор металлорганического каркасного соединения под воздействием окружающей среды. Часть пор каркаса остаётся открытой, создавая промежуточное состояние между упорядоченной и искажённой структурой. Полученные данные могут привести к созданию новых электрооптических датчиков. Результаты исследования опубликованы в журнале Dalton Transactions

Металлоорганические каркасные соединения относятся к гибридным материалам. Они представляют собой кристаллические пористые вещества из органических и неорганических компонентов, к примеру, из ионов металлов, связанных друг с другом органическими атомами — лигандами. Металлы и органические лиганды образуют решеточную структуру материала. Воздействие температуры, газов, жидкостей, электромагнитного излучения и других механических факторов приводит к изменению размера пор в этих материалах. Эта особенность высокопористых структур позволяет использовать их для поглощения и хранения различных химических веществ. Однако для более широкого применения гибких металлоорганических материалов необходимо понять, как управлять переходом пор из открытого состояния в закрытое и обратно.

Способность металлоорганических каркасов поглощать водяной пар и легко выделять его при невысоких давлениях и температурах, а также высокая рабочая ёмкость делают эти материалы привлекательными для применения в устройствах для контроля влажности и перераспределения тепла. Одним из таких материалов является металлоорганический каркасный полимер DUT-4. Он состоит из ионов алюминия и полимерных частиц, которые встраиваются в структуру каркаса. По традиции все металлоогранические каркасные соединения именуются по названию университета, в котором был впервые выполнен синтез, свое имя «DUT-4» получил в честь Дрезденского университета технологий.

Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» вместе с коллегами из Санкт-Петербурга и Челябинска впервые продемонстрировали трансформацию структуры и размера пор каркаса DUT-4 под воздействием внешних факторов и нашли еще одну возможность его применения. Они проанализировали образец, содержащийся от нескольких часов до полугода при комнатной температуре и влажности 21%. В ходе исследования учёные обнаружили, что поры каркаса изменяли структуру и размер, деформировались и закрывались. Поры в металлоорганическом каркасе представляют собой одно-, двух- или трёхмерные структуры, состоящие из металлических кластеров, скоординированных с органическими лигандами. Доступ к закрытым порам ограничен или невозможен. В открытые поры могут проникать вещества. Ученые определили, что переход ускоряется при увеличении влажности с 21% до 80%.

Эксперименты также показали стабильность новой искаженной формы в течение как минимум шести месяцев. При этом исходное состояние могло быть восстановлено в вакууме. Значит, этот материал можно использовать несколько раз, что снижает финансовые и производственные затраты.

Ученые предположили, что изменение структуры каркаса повлияет на его оптические и электронные свойства. При облучении материала белым светом у него увеличилось оптическое пропускание в инфракрасном диапазоне. Электрические измерения показали увеличение тока и уменьшение падения напряжения при приложенном напряжении.

«Полученные результаты позволяют нам рассматривать металлоорганический каркас DUT-4 как новый материал с фазовым переходом, в котором структура, чувствительная к внешним воздействиям, играет ключевую роль. Наше исследование обнаружило простой и легкий способ преобразования металлоорганического каркаса при комнатной температуре, влажности и давлении, а также условия восстановления исходных свойств материала. Структурное преобразование металлоорганического каркаса также влияет на изменения оптических и электронных свойств DUT-4. Результаты нашего исследования открывают возможности для создания нового семейства материалов на основе металлоорганических каркасов для сенсорных и оптоэлектронных приложений», — отметил один из авторов работы Александр Крылов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского.

В исследовании также принимали участие специалисты Университета ИТМО, Сибирского федерального университета и Южно-Уральского государственного университета.