В соответствии с правилами проектирования, разработанными учеными, атомы урана и органические линкеры самостоятельно собираются в красивый кристалл — большую воздушную трехмерную сетку очень вместительных и полезных пор. Фактически, поры настолько просторны, что ученые поместили внутри поры большой фермент — немалый подвиг.
Материал может действовать как защитный каркас для ферментов.«Мы строим с точностью до одного атома», — сказал Омар К. Фарха, профессор химии в колледже искусств и наук Вайнберга, который руководил исследованием. «Наш материал начинается на уровне отдельных атомов, измеряемых в ангстремах, и заканчивается на уровне сотен микрон, где мы можем удерживать маленький кристалл пинцетом и видеть его невооруженным глазом».Исследование было опубликовано в номере журнала Science от 12 мая.
Материал очень легкий, несмотря на то, что он сделан из урана, одного из самых тяжелых элементов в периодической таблице. (Ученые использовали уран-238, нерадиоактивный изотоп.) Атомы урана настолько удалены друг от друга в структуре, что металлоорганический каркас (MOF) получает титул самой низкой плотности среди всех конкурентов.«Это противоречит здравому смыслу», — сказал Фарха, специализирующийся на рациональном проектировании MOF для приложений катализа, считывания и хранения. «Этот материал ранее не был замечен или предсказан. Несмотря на его простое начало, структура нашего MOF имеет беспрецедентную структурную сложность.
И мы только что коснулись поверхности создания сложных структур с использованием простых строительных блоков».Открытие раскрывает потенциал для создания общих правил проектирования для самостоятельной сборки открытых сложных структур из простых строительных блоков, а также подчеркивает потенциал актинидов, таких как уран, в синтезе материалов, сказал Фарха.Теперь исследователи могут применять новый набор правил проектирования для восходящего строительства, чтобы синтезировать различные новые материалы с заранее спроектированными и предсказуемыми сложными структурами. ?Металлоорганические каркасы представляют собой упорядоченные решетчатые кристаллы. Узлы решеток — это металлы, а органические молекулы соединяют узлы.
Новый MOF, названный NU-1301, состоит только из узлов оксида урана и звеньев трикарбоксилатного органического линкера. Эта простота делает MOF промышленно актуальным.
Помимо структурной сложности, NU-1301 имеет очень большую площадь поверхности, объем пор и водостойкость и может использоваться для разделения малых органических молекул и больших биологических молекул или ферментов в зависимости от их размера и заряда.Каждая элементарная ячейка — базовая единица, которая повторяется в трех измерениях для создания кристаллической структуры — состоит из 816 урановых узлов и 816 органических линкеров.
Одна элементарная ячейка имеет диаметр 173 ангстрем и продолжает повторяться. Элементарные ячейки собираются в пятиугольники и шестиугольники, в конечном итоге превращаясь в кристалл, который может достигать четверти миллиметра в ширину.