В лаборатории Многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов Южно-Уральского государственного университета работают специалисты в области квантовой химии. Они изучают свойства материалов будущего, которые сейчас пока только на стадии разработки.
Одно из современных направлений дизайна материалов – материалы на основе металлоорганических каркасов (МОК или MOF от английского metal organic framework). Они построены из отдельных структурных блоков и за счет этого способны к проявлению комбинации свойств, например, гибкость и люминесценция, сорбция и электропроводность.
«Дети любят играть в конструкторы, где есть разные блоки, палочки, шарики, – говорит научный сотрудник НИЛ «Многомасштабное моделирование многокомпонентных функциональных материалов» ЮУрГУ Ирина Юшина. – А наш конструктор состоит из структурных блоков, которые в зависимости от того, как они соединены, «собираются» в каркас разного строения. Меняя центральный металл или связующие блоки, можно управлять структурой, а следовательно, и свойствами получаемого каркаса».
.jpg)
Например, металлорганический каркас DUT-8 на основе никеля (название дано в честь Дрезденского университета технологий), свойства которого изучает Ирина Юшина, замечателен тем, что может работать как шкатулка с замком для упаковки молекул. При обычных условиях поры открыты и могут вмещать в себя различные молекулы, а при внешнем воздействии, напротив, защёлкиваются. Такой обратимый переход из открытой в закрытую фазу позволяет управлять сорбцией и удерживанием молекул в порах.
«Многие материалы, которые сейчас уже на стадии активного внедрения в технологию, начинались с самых ранних этапов получения, моделирования структуры и скрининга потенциальных областей, где это соединение может быть полезным. А уже дальше на помощь химикам-экспериментаторам и теоретикам приходят инженеры, – рассказывает Ирина Юшина. – Из того, что уже реализовано, наверное, самый известный пример – регенератор воды в пустыне. Он реализован в виде портативного устройства с картриджем, содержащим MOF, и способен добывать до 200 г воды на 1 кг каркаса в сутки, как сообщает журнал Nature Water. Поры улавливают молекулы воды, задерживают их и за счёт колебания температур в пустыне вода из пор регенерируется. Эта технология реально может быть использована для решения проблем вододефицита, а начиналась она просто с фундаментального изучения сорбции».
.jpg)
Ирина Юшина и её коллеги изучают не только фазовые переходы, но и механику гибких металлоорганических каркасов – MOF’ов. Они проводят вычислительные эксперименты, в том числе с привлечением суперкомпьютера «Торнадо-ЮУрГУ». Результат – тензоры напряжений «молекулярных конструкций» на уровне кристаллов, что можно сравнить с расчетами прочности домов, которые делают строители. Подходы и явления схожи, а масштабы и методы – совсем разные.
Однако команда ЮУрГУ ориентируется не только на механические свойства каркасов, способных к изменению формы, но и на применение кристаллов на основе металлорганических каркасов в нелинейной оптике.
«Задача такого кристалла – преобразовывать длину волны лазерного излучения, тем самым расширяя список доступных длин волн лазера: от фиолетовых до длинноволновых, – объясняет Ирина. – Если кристалл обладает определенными структурными характеристиками, то удается зафиксировать такой эффект в эксперименте, а вот ответ на вопрос: обладает ли потенциально данная структура нужным свойством, не проводя эксперимента, как раз и может дать квантово-химическое моделирование».
Результаты исследований Ирины Юшиной и её коллег опубликованы в международных журналах Crystal Growth & Design (Q1 Scopus) https://doi.org/10.1021/acs.cgd.3c01154 и Advanced optical materials (Top 10 %) https://doi.org/10.1002/adom.202300881.