Novi način dobivanja visokoučinkovitih materijala

Porozni materijali mogu izdvajati ugljikov dioksid iz industrijskih plinova, pročišćavati goriva i odvajati korisne kemikalije iz složenih smjesa.

Međunarodni istraživački tim, predvođen dr. sc. Ivanom Brekalo s Instituta Ruđer Bošković (IRB), pokazao je da se njihova unutarnja građa može usmjeravati uz pomoć samo nekoliko kapi tekućine tijekom miješanja i mljevenja praškova.

Istraživanje, koje povezuje istraživačke timove iz Hrvatske, Poljske, Kanade, Ujedinjenog Kraljevstva i Sjedinjenih Američkih Država, upućuje na jednostavniji i resursno štedljiv način dobivanja visokoučinkovitih materijala za potencijalne primjene poput hvatanja ili odvajanja raznih plinova i tekućina ili pak pročišćavanja industrijskih procesa.

Ovo otkriće dolazi u trenutku kada industrije diljem svijeta traže brže i čišće puteve do materijala koji podupiru klimatska i energetska rješenja. U elektranama, rafinerijama i kemijskim postrojenjima potrebni su materijali koji mogu prepoznati i zadržati određene molekule. Takvi materijali djeluju poput iznimno preciznih filtara tako što kroz njihove mikroskopske pore neke molekule prolaze, dok druge ostaju zarobljene.

Veličina i raspored tih pora određuju može li materijal izdvojiti ugljikov dioksid iz dimnih plinova, pročistiti gorivo ili odvojiti plinove koji se koriste u industriji. Problem je što isti kemijski sastojci mogu stvoriti više različitih struktura, od kojih neće svaka imati željena svojstva.

Pronalazak odgovarajuće strukture zato često zahtijeva mnogo pokusa, velike količine otapala, zagrijavanje i znatnu potrošnju energije. Znanstvenici su pokazali jednostavniji način upravljanja tim procesom, te su utvrdili da samo kap pažljivo odabrane tekućine može usmjeriti način na koji se početni sastojci povezuju u čvrsti materijal.

Od laboratorija do recepta: pametniji put do materijala

Tim se usredotočio na dobro poznatu, „spužvastu“ krutinu izgrađenu od cinka i organskog povezivača imidazola, modelni sustav koji se koristi diljem svijeta. Umjesto „kuhanja“ u posudama s otapalom, sastojke su usitnjavali, točnije mljeli, i dodali tek kap ili dvije pažljivo odabrane tekućine. Ta sićušna kap ponaša se poput začina u kuhanju, uz iste osnovne sastojke dodavanje različitih začina potpuno promijeni okus jela. Tako i ovdje, promijenite vrstu tekućine, promijenili ste nacrt koji atomi slijede.

U izravnoj usporedbi 45 različitih otopina isti su sastojci dali 13 različitih verzija materijala koje pripadaju osam različitih klasa unutarnjih rasporeda, uz to da dvije verzije do sada nikada nisu bile zabilježene. Dodatno, znanstvenici su “uhvatili” i kratkotrajna, nedovršena stanja, koja su im otkrivala kako materijal nastaje i kako izbjeći slijepe ulice kad se cilja na točno određenu strukturu.

“Više ne promatramo, nego usmjeravamo kako se materijal sastavlja,” objašnjava dopisna autorica dr. sc. Ivana Brekalo s Instituta Ruđer Bošković. “Jedna jedina kap dovoljna je da upravljamo kako se isti atomi povezuju, a uz manje tekućine, manje energije i više kontrole.”

Pod povećalom: X-zrake i superračunala

Kako bi bili sigurni u ono što su dobili, istraživači su koristili rendgenske zrake, kako one tu u Hrvatskoj, tako i vrlo snažne u nacionalnom laboratoriju u SAD-u. One djeluju kao superkamere za atome i očitavaju jedinstveni ''otisak'' svake napravljene strukture.

Usto su proveli opsežne računalne simulacije na superračunalima u Hrvatskoj, Ujedinjenom Kraljevstvu, Poljskoj i Kanadi, kako bi objasnili zašto upravo određena dodana tekućina dovodi do ciljanog rasporeda. Zajedno, pokusi i izračuni otvaraju put prema praktičnoj “kuharici”. Pojednostavljeno to zvuči: želite svojstvo A,  trebate raspored B,  upotrijebite kap tekućine C.

Manje otpada, više učinka

Budući da unutarnji oblik odlučuje o svojstvima materijala, ova razina kontrole može donijeti bolje “spužvaste materijale” za CO₂, otpornije filtre za teške uvjete te čišće i dugotrajnije katalizatore. A sve to uz mnogo manje otapala i potrošnje energije. Rezultat je brži, jeftiniji i zeleniji put do materijala koji su ključni za dekarbonizaciju i modernu proizvodnju.