Невероятные кристаллы, которые могут очистить нашу планету

Некоторые дети никогда не перерастают свою любовь к игрушкам-конструкторам. Австралийский химик Мэтью Хилл использовал эту любовь для построения блестящей карьеры – он уменьшил Лего-блок до атомного размера. Кристаллические материалы, полученные им в своей лаборатории, принесли ему премию Малькольма Макинтоша по физике за 2014 год. Эти кристаллы могут решить некоторые из самых больших проблем на Земле, впитывая CO2 из выбросов электростанций, действуя в качестве газовых баллонов для будущих видов топлива, или очищая воду от загрязнений.

Хилл в последнее десятилетие изучал кристаллы, известные как металл-органические структуры (MOF). Они выглядят как обычные белые кристаллы соли, но рентгеновские лучи раскрывают их тайну. MOF кристаллы в основном суть пустое пространство — они в 10 раз более пористы, чем что-либо ещё на нашей планете. Они являются губками атомного мира — назовите любой газ, и они его впитают.

Рентгенограмма MOF кристалла напоминает скелет, в котором роль костей играют органические соединения, а металлы – роль суставов. Образовавшиеся пустоты представляют собой клетки – нанохранилища – для различных веществ.

Используя различные металлические и органические компоненты, Хилл может настроить эти клетки для различных целей. Для хранения водорода требуются более мелкие пустоты, чтобы клетки плотно прилегали к молекулам газа. Такой способ хранения водорода более безопасен, чем хранение в виде сжатого газа в резервуаре, который может взорваться.

MOF кристаллы обладают некоторыми смарт свойствами: они могут реагировать на определённые раздражители. Представьте себе материал, который впитывает CО2 из дымовых газов силовой установки, а затем, под воздействием солнечного света высвобождает захваченные парниковые газы для хранения. При этом MOF могут выделять захваченные ранее газы с эффективностью около 80%.

Когда первый MOF материал поступил в продажу несколько лет назад, он стоил около 100 долларов за грамм. Хилл сконструировал проточный реактор для производства MOF с заданными свойствами, и ожидает, что тот уменьшит цены в 10.000 раз. После того, как наладят производство в промышленных масштабах, можно ожидать широкое применение MOF материалов в различных отраслях.

В дополнение к хранению газа у MOF материалов есть еще одно полезное свойство. Благодаря своей регулярной структуре с отверстиями одинакового размера по всему объёму, они представляют собой отличные сита, и способны, например, проводить настолько глубокую фильтрацию, что могут получать пресную воду из морской.

По мнению Хилла, использование MOF материалов «ограничено только нашим воображением и нашими способностями как химиков».