Лаборатория Симидзу недавно разработала новую систему для изучения потока газа в максимально стесненных условиях. Она и ее коллеги синтезировали трубки, настолько узкие, что атомы могут перемещаться по ним только в один ряд.
Ее команда строит крошечные трубки, используя процесс, основанный на молекулярном самолюбии. Сначала химики синтезируют циклическое органическое соединение — молекулярный бублик, если хотите, — которое, по замыслу, имеет сходство со своим собственным видом. Когда молекулярные пончики растворяются в растворителе и сталкиваются друг с другом в растворе, они складываются встык, как рулон Life-Savers.Понимая фундаментальные законы притяжения, когда речь идет о молекулах, исследователи разработали кольца так, чтобы они прилипали друг к другу.
Растворение молекулярных пончиков приводит к самосборке молекул: кольца складываются вместе, образуя длинные полые трубки, состоящие примерно из миллиона колец. В молекулярном масштабе это очень длинные соломинки.Команда Симидзу изобрела средства синтеза двух разных колец, которые образуют две разные молекулярные трубки: одна имеет узкое овальное отверстие, а другое — большее круглое отверстие.Работая в сотрудничестве с лабораторией Русса Бауэрса в Университете Флориды, Симидзу и ее команда недавно опубликовали в ACS Nano статью, в которой продемонстрировали уникальные свойства молекулярных трубок в отношении потока газа.
Используя ксенон, редкий благородный газ, пригодный для исследований ядерного магнитного резонанса (ЯМР), они показали, что в трубке с узким отверстием достаточно места для того, чтобы атомы газа могли проходить через один слой. На самом деле, для этого не хватило бы даже места, если бы не добавили небольшого давления.«Размеры трубки на самом деле немного меньше, чем размеры атомов ксенона», — говорит Симидзу. «Под высоким давлением ксенон на самом деле немного искажается, чтобы попасть туда, и, поскольку образцы настолько однородны, группа Бауэрса может действительно проследить его с помощью ЯМР».
Трубка большого диаметра — это другой канал. Он достаточно широкий, чтобы вместить два атома газа в пределах его окружности. У потока через трубку с большим диаметром отверстия достаточно места, чтобы атомы могли обгонять друг друга в пределах его границ.
По словам Симидзу, возможность сравнить, как атомы газа диффундируют в двух разных молекулярных соломах, и понять основные процессы, вовлеченные в процесс, является активной областью исследований, которая может иметь промышленное влияние на разделение газов и мембранные технологии в будущем. И две соломинки, которые построила ее команда, — это только начало.
«Мы можем контролировать размер и форму соломинок, а также типы функциональных групп, которые находятся в каналах», — говорит Симидзу. «Таким образом, мы можем задать несколько основных вопросов о том, как протекающие газы взаимодействуют со стенкой канала. Это только наша отправная точка».