KRYSTALICZNA GĄBKA – ale nie dla wody lecz dla pary wodnej

DrukujDrukujPDFPDF

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego pracujący nad związkami niklu dokonali przypadkowego i niecodziennego odkrycia. Jeden z badanych przez nich związków chemicznych, kompleks fluoroboranu niklu (II) z makrocyklicznym ligandem siarkowym, wykazuje zdolność do odwracalnego pochłaniania i uwalniania pary wodnej przy zachowaniu krystaliczności próbki. Innymi slowy, zachowuje się jak gąbka, tyle że w stosunku do pary wodnej (tj. gazu a nie ciekłej wody). Wyniki te, opisane w niedawno opublikowanej pracy naukowej w Dalton Transactions, pozwolą naukowcom na dalszą eksploatację podobnych układów i wytypowanie najlepszego z nich do celu konstrukcji czułych detektorów  wilgoci.

Odwracalne pochłanianie pary wodnej przez związki chemiczne jest obserwowane bardzo często, lecz bardzo rzadko wiąże się ono z zachowaniem krystaliczności. Absorpcja pary wodnej prowadzi najczęściej do tak znaczących zmian w strukturze krystalicznej, że z reguły wywołuje dezintegrację kryształów lub ich stopniowe rozpuszczanie się w kondensującej cieczy - jak np. dla bardzo często używanego bromku potasu czy jodku cezu. Znane były jednak dwa typy układów, układy nanoporowate oraz polimery koordynacyjne, mogące pochłaniać parę wodną z zachowaniem struktury krystalicznej. Nowy związek niklu odkryty przez badaczy z Warszawy otwiera trzecią kategorię związków: rodzinę kryształów molekularnych.

Badacze użyli cząsteczki przypominającej pętlę, składającej się z 8 atomów węgla i 4 atomów siarki, zwanej skrótowo 12aneS4, by modelować własności dodatnio naladowanego atomu niklu. Udało im się połączyć cząsteczkę 12aneS4 z atomem niklu oraz dwoma anionami dla stabilizacji ładunku, osiągając nietypowo "giętki" kryształ molekularny. W trakcie pochłaniania pary wodnej pętlowata cząsteczka 12aneS4 wygina się jak parasol, by zrobić miejsce dla dwóch cząsteczek wody, które przyczepiają się do atomów niklu. Gdy przy delikatnym podgrzaniu woda jest emitowana ze związku, pętla 12aneS4 bez trudu wraca do poprzedniej pozycji.

Mgr Andrew Churchard, doktorant z Wielkiej Brytanii prowadzący badania na Uniwersytecie Warszawskim, stwierdza: Najbardziej niezwykłe jest chyba to, że wyginanie pętli 12aneS4prowadzi do znacznego powiększenia tylko jednego z wymiarów kryształu podczas gdy dwa pozostałe pozostają niemal niezmienione. Taki efekt nazywany jest w nauce anizotropowym. Wyginanie 12aneS4 można powtarzać do znudzenia, najpierw wystawiając związek niklu na działanie powietrze atmosferycznego zawierającego ślady wilgoci, a potem albo delikatnie podgrzewając molekularna gąbkę, albo wystawiając ją na działanie niskiego ciśnienia, tj. próżni. Czyli efekt jest całkowicie odwrcalny. - cieszy się młody badacz. " A dzięki obliczeniom teoretycznym udało się nam bardzo pięknie zrozumieć dlaczego związek zsyntetyzowany przez Andy'ego wykazuje ciekawe właściwości" - dodaje dr Mariana Derzsi, która używała metod modelowania komputerowego do badań kompleksu Ni(II)(12aneS4)(BF4)2.

Kierownik laboratorium, dr hab. Wojciech Grochala, zauważa: " Piękno tego związku tkwi w szerokiej gamie cech fizykochemicznych, które bardzo silnie zmieniają się w czasie absorpcji pary wodnej. Już gołym okiem widać zmianę koloru (czyli właściwości optycznych), ale to samo dzieje się z właściwościami magnetycznymi, termicznymi itp. To, czy związek jest w formie bezwodnej czy uwodnionej możemy  zatem rozpoznac dzięki bardzo wielu metodom używanym przez naukowców, co otwiera drogę do zastosowania tego i podobnych układów jako detektrów wilgoci. Niezwykłe jest również to, że przygotowany przez Mgr Andrew Churchard'a związek całkowicie rozkłada się w zetknięciu ze "zwykła" tzn. ciekłą wodą...!" - podkreśla Grochala.

Badacze z zaciekawieniem obserwują teraz kolejne syntetyzowane w ich laboratorium związki niklu. Może któryś z nich będzie w przyszłości zastosowany jako nowatorski sensor wilgoci?

Uwagi edytorów:

Powyższa praca ukazała się w postaci publikacji " Chemo-switched chromatic, structural and magnetic changes with retention of molecular crystallinity, Ni(II)(12aneS4)(BF4)2." w czasopiśmie poświęconym chemii nieorganicznej Dalton Transactions i jest dostępna pod adresem: http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2012/dt/c2dt12468h (DOI:10.1039/C2DT12468H). Publikacja została uhonorowana wyeksponowaniem na okładce czasopisma. Badania były prowadzone w Laboratorium Technologii Nowych Materiałów Funkcjonalnych oraz w dwóch współpracujących instytucjach naukowych ze Słowenii i Szwajcarii.

dr hab. Wojciech Grochala, prof. Uw jest osiągalny:

e-mail: wg22@cornell.edu; tel.: +48 22 5540828, fax: +48 22 5540801; http://ltnfm.icm.edu.pl/