يعمل الخبراء في مجال كيمياء الكم في مختبر النمذجة متعددة النطاق للمواد الوظيفية متعددة المكونات في جامعة جنوب الأورال الحكومية. إنهم يدرسون خصائص مواد المستقبل، والتي هي حاليا في مرحلة التطوير فقط.
أحد الاتجاهات الحديثة في تصميم المواد – هي المواد المعتمدة على الأطر المعدنية العضوية (MOF أو МОК الإطار العضوي المعدني). لقد تم بناؤها من كتل هيكلية فردية وبالتالي فهي قادرة على إظهار مجموعة من الخصائص، على سبيل المثال، المرونة والتألق والامتصاص والتوصيل الكهربائي.
« يحب الأطفال اللعب بمجموعات البناء، حيث توجد كتل وعصي وكرات مختلفة. - وتتكون مجموعة البناء الخاصة بنا من كتل هيكلية، والتي، اعتمادًا على كيفية اتصالها، يتم «تجميعها» في إطار هيكل مختلف. ومن خلال تغيير المعدن المركزي أو الكتل المتصلة، يمكنك التحكم في الهيكل، وبالتالي خصائص الإطار الناتج»,- تقول إيرينا يوشينا، الباحثة في مختبر أبحاث «النمذجة متعددة النطاق للمواد الوظيفية متعددة المكونات» في جامعة جنوب الأورال الحكومية.
على سبيل المثال، فإن الإطار المعدني العضوي DUT-8 القائم على النيكل (تم إعطاء الاسم تكريما لجامعة دريسدن للتكنولوجيا)، والذي تدرس خصائصه إيرينا يوشينا، هو أمر رائع لأنه يمكن أن يعمل كصندوق به قفل لجزيئات التعبئة والتغليف. في ظل الظروف العادية، تكون المسام مفتوحة ويمكنها استيعاب جزيئات مختلفة، ولكن تحت التأثير الخارجي، على العكس من ذلك، فإنها تنغلق. هذا الانتقال العكسي من الطور المفتوح إلى الطور المغلق يجعل من الممكن التحكم في امتصاص الجزيئات والاحتفاظ بها في المسام.
«العديد من المواد التي هي الآن في طور إدخالها بنشاط إلى التكنولوجيا بدأت بالمراحل الأولى من الإعداد ونمذجة البنية وفحص المناطق المحتملة التي يمكن أن يكون فيها هذا المركب مفيدًا. تقول إيرينا يوشينا: ثم يأتي المهندسون لمساعدة الكيميائيين والمنظرين التجريبيين. – ومن بين ما تم تنفيذه بالفعل، ربما يكون المثال الأكثر شهرة هو محطة معالجة المياه في الصحراء. ويتم تنفيذه كجهاز محمول مزود بخرطوشة تحتوي على الهياكل المعدنية العضوية، وهى قادرة على استخراج ما يصل إلى 200 جرام من الماء لكل 1 كجم من الإطار يوميًا، كما ورد في مجلة Nature Water. تلتقط المسام جزيئات الماء، وتحتفظ بها، وبسبب تقلبات درجات الحرارة في الصحراء، يتم تجديد الماء من المسام. كما يمكن بالفعل استخدام هذه التكنولوجيا لحل مشاكل ندرة المياه، وقد بدأت ببساطة بدراسة أساسية للامتصاص».
لا تدرس إيرينا يوشينا وزملاؤها التحولات الطورية فحسب، بل يدرسون أيضًا آليات الأطر المعدنية العضوية المرنة - MOF. يقومون بإجراء تجارب حسابية، بما في ذلك استخدام الكمبيوتر العملاق »تورنادو-بجامعة جنوب الأورال الحكومية«. والنتيجة هي موترات الإجهاد في «الهياكل الجزيئية» على المستوى البلوري، والتي يمكن مقارنتها بحسابات قوة المنازل التي يبنيها البناءون. إن الأساليب والظواهر متشابهة، لكن النطاق والأساليب مختلفة تماما.
ومع ذلك، فإن فريق جامعة جنوب الأورال الحكومية لا يركز فقط على الخواص الميكانيكية للأطر القادرة على تغيير الشكل، ولكن أيضًا على استخدام البلورات القائمة على الأطر المعدنية العضوية في البصريات غير الخطية.
«توضح إيرينا: مهمة هذه البلورة – هي تحويل الطول الموجي لإشعاع الليزر، وبالتالي توسيع قائمة أطوال موجات الليزر المتاحة. – من اللون البنفسجي إلى الأطوال الموجية الطويلة. إذا كانت البلورة لها خصائص هيكلية معينة، فمن الممكن اكتشاف مثل هذا التأثير في التجربة، ولكن الإجابة على السؤال: ما إذا كان من المحتمل أن يتمتع هيكل معين بالخاصية المرغوبة، دون إجراء تجربة، هو بالضبط ما هي النمذجة الكيميائية الكمومية يمكن أن تعطي».
تم نشر نتائج بحث إيرينا يوشينا وزملائها في المجلات الدولية Crystal Growth & Design (Q1 Scopus) https://doi.org/10.1021/acs.cgd.3c01154 والمواد البصرية المتقدمة (أفضل 10%) https:// /doi.org /10.1002/adom.202300881.