Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Vật liệu 3D có cấu trúc phức tạp được tạo ra từ hai khối kiến tạo đơn (27/05/2017)

Nhóm nghiên cứu các nhà khoa học Trường Đại học Northwestern đã tạo ra được vật liệu có cấu trúc phức tạp từ hai khối kiến tạo đơn. Vật liệu này là khung hữu cơ kim loại có mật độ thấp nhất chưa từng được tạo ra từ trước đến nay.

Vật liệu này được định hướng phát triển theo quy tắc thiết kế do các các nhà khoa học tạo ra. Các nguyên tử uranium và các chất liên kết hữu cơ tự lắp ráp thành một tinh thể mạng lưới 3D gồm các lỗ rỗng có kích thước khá lớn và rất hữu dụng. Những lỗ rỗng này rất rộng. Trên thực tế là các nhà khoa học đã đặt thành công được một enzym cỡ lớn vào bên trong lỗ rộng này. Đây được xem là một kỳ tích không hề nhỏ. Loại vật liệu này đóng vai trò như một chiếc giàn giáo bảo vệ các enzym.

Omar K. Farha , giáo sư nghiên cứu về hóa học tại Trường Đại học Khoa học và nghệ thuật Weiberg, và cũng là người đứng đầu nghiên cứu nói: “Chúng tôi đang tiến hành chế tạo vật liệu với độ chính xác một nguyên tử. Vật liệu của chúng tôi bắt đầu ở cấp độ các nguyên tử đơn lẻ, được đo bằng angstrom, và kết thúc ở cấp độ hàng trăm micron, ở đó chúng tôi có thể nắm giữ tinh thể nhỏ bé này bằng một cái nhíp và quan sát nó bằng mắt thường”.

Vật liệu này rất nhẹ, mặc dù được làm từ uranium, một trong những yếu tố nặng nhất trong bảng tuần hoàn. (Nhóm nhà khoa học đã sử dụng uranium 238, chất đồng vị không phóng xạ). Các nguyên tử uranim này nằm tách xa nhau trong cấu trúc khung hữu cơ kim loại (MOF) mật độ thấp nhất này.

Theo Farha, chuyên gia thiết kế MOFs cho các xúc tác, cảm biến và các ứng dụng lưu trữ cho biết, các nguyên tử này rất khác thường. Vật liệu này cũng chưa từng được quan sát thấy hoặc dự đoán trước đây. Mặc dù sự bắt đầu của nó đơn giản, nhưng cấu trúc của MOFs trong vật liệu này hoàn toàn phức tạp về cấu trúc và không có gì so sánh được với nó. Và hiện chúng tôi mới chỉ bắt đầu nghiên cứu với bề mặt các khối kiến tạo đơn giản của cấu trúc vật liệu hình thành vô cùng tinh vi phức tạp này.

Phát hiện này cho thấy tiềm năng tạo ra các quy tắc thiết kế tổng quát đối với quá trình tự lắp ráp của các cấu trúc mở và rất phức tạp từ các khối kiến tạo đơn giản, đồng thời cũng làm nổi bật lên tiềm năng của các nguyên tố phóng xạ, chẳng hạn như urani, trong xu hướng tổng hợp vật liệu, Farha cho biết.

Hiện các nhà nghiên cứu đã có thể ứng dụng các quy tắc thiết kế mới này đối với các phương pháp xây dựng từ dưới lên trên để tổng hợp hàng loạt các vật loại vật liệu mới có các cấu trúc phức tạp có thể dự đoán trước và có thể thiết kế sẵn.

Khung hữu cơ kim loại là các tinh thể giống với hàng rào mắt cáo và được sắp xếp rất ngăn nắp. Các điểm nút của hàng rào mắt cáo này chính là các kim loại, và các phân tử hữu cơ liên kết với các điểm nút. MOF mới này, có tên gọi là NU-1301, được tạo nên chỉ từ các điểm nút oxit uranium và khối liên kết hữu cơ tricarboxylate. Chỉ với sự liên kết giản đơn này đã tạo ra các MOF vô cùng hữu ích về phương diện công nghiệp.

Ngoài độ phức tạp về cấu trúc, NU-1301 còn có diện tích bề mặt, thể tích lỗ rỗng và độ ổn định của nước rất cao và có thể được sử dụng để tách rời các phân tử hữu cơ có kích cỡ nhỏ, các phân tử sinh học cỡ lớn, hoặc các enzyme, dựa trên kích cỡ và điện tích của chúng.

Mỗi tế bào đơn vị - đơn vị cơ bản mà được lặp đi lặp lại 3 chiều để tạo nên cấu trúc tinh thể--gồm có 816 nút uranium và 816 khối liên kết hữu cơ. Một đơn vị tế bào đo được 173 angstroms, và tự nó cứ lặp đi lặp lại. Các đơn vị tế bào tập hợp thành hình ngũ giác và hình lục giác, và cuối cùng phát triển thành một tinh thể có khoảng rộng bằng một phần tư của một milimet vuông.

Công trình nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Science.

Nguồn: vista.gov.vn