Новости химической науки > Тонкие пленки из металлокаркасов быстро и в два этапа

Исследователи из Японии разработали простой и быстрый способ получения тонких пленок из металлорганических каркасных структур.

Двухстадийная методика синтеза позволяет исследователям контролировать толщину пленки и может быть использована для самых различных по строению каркасных материалов – металлоорганических каркасных структур [metallorganic framework (MOF)]. Результаты исследования позволят разработать новые типы композитных металлоорганических каркасных структур для хранения водорода и использования в качестве сенсоров газа.

Металлоорганические каркасные структуры представляют собой пористые кристаллические материалы, в которых металлические кластеры или отдельные ионы металла связаны между собой органическими молекулами – полидентатными лигандами-линкерами. Обычно такие материалы имеют пористую структуру и отличаются большой площадью поверхности. Эти свойства обуславливают интерес ученых к применению металлоорганических каркасных структур там, где от материала требуется большая площадь поверхности – системы для адсорбции газообразных веществ в топливных баках, сенсорах и катализаторах. Наиболее предпочтительно для всех таких практических приложений было бы применение металлоорганических каркасных структур в виде тонких пленок с правильно расположенными порами однородного размера, без проблем позволяющими молекулам диффундировать.

Для получения тонких пленок металлоорганических каркасных структур исследователи выливали суспензию, содержащую хлопья MOF в органическом растворителе (красный раствор в пипетке) на поверхность воды в стаканчике. Фрагменты металлоорганических каркасных структур распространялись по поверхности воды, образуя тонкую пленку. Затем для переноса пленки металлоорганической каркасной структуры на кварцевую подложку исследователи использовали резиновый штамп. (Рисунок из J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/ja307953m)

Хироси Китагава (Hiroshi Kitagawa), химик из Университета Киото, отмечает, что для получения таких тонких пленок обычно используется стратегия послойного выращивания металлоорганических каркасных структур на твердой подложке. Помимо того, что этот метод требует больших затрат по времени, его нельзя использовать для всех без исключения типов металлоорганических каркасных структур. Для получения ряда таких структур требуются жесткие условия – высокая температура и/или химически активные растворители разрушить либо подложку, либо растущую пленку.

Китагава с коллегами решили проблему, разделив во времени собственно получение металлоорганических каркасных структур и формирование из них пленки. Первоначально они получили металлоорганические каркасы с помощью обычных растворных реакций. Затем они диспергировали полученные соединения по поверхности воды, получая тонкую пленку, и переносили их на субстрат с помощью резинового штампа. Такой подход позволял не беспокоиться о том, что в процессе выращивания пленки будут разрушены либо пленка металлоорганической каркасной структуры, либо субстрат.

Такой способ сборки был использован исследователями для получения тонких пленок металлоорганических каркасных структур, содержащих медьпорфириновые комплексы. Первоначально исследователи получили эти «хлопья» комплексы из солей меди и порфириновых лигандов в диметилформамиде и этаноле. Атомно-силовая микроскопия позволила опредеелить, что толщина таких хлопьев составляет 15 нм, а размеры колеблются в пределах 300-500 нм. Затем полученные хлопья были диспергированы в этаноле или ацетоне с помощью ультразвуковой обработки. Полученную суспензию медленно прикапывали на поверхность воды в стеклянном стаканчике, суспензия распределялась по поверхности воды, образуя тонкую пленку, которую затем и переносили на твердую подложку. Для получения многослойных поверхностей, в которых пленки организовывались в стопки процесс, повторяли по несколько раз до достижения желаемой толщины.

Китагава отмечает, что разработанный в его группе процесс отличается высокой экспрессностью – он смог организовать стопку из 100 слоев металлоорганических каркасных соединений за 10 минут, в то время как с помощью стандартной методики за это время можно получить лишь один слой металлоорганических каркасных структур.

Источник: J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/ja307953m

метки статьи: #новые материалы, #химия полимеров, #элементоорганическая химия