Rörmokarens mardröm avslöjad med tredimensionell elektronmikroskopi
Hur komplicerade labyrinter kan man bygga i ett material? I en studie som nyligen publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature Chemistry, har forskare med hjälp av elektronmikroskopi klarlagt den tredimensionella strukturen av ett nytt oerhört komplicerat poröst glasmaterial. Materialet har tre likadana kanalsystem som snor sig runt varandra, men aldrig möts. Det är den mesta komplicerade porstrukturen som hittills tillverkats. Att bygga ett sådant rörsystem skulle vara en rörmokares mardröm.
Regelbundna och välordnande porösa material har många tillämpningsområden. Några exempel är katalys, optik och långsam utsöndring av till exempel läkemedel. Porerna är så små att de kan fungera som silar för enstaka molekyler, små molekyler kan komma in medan större stängs ute.
En vattenmolekyl är ungefär 0.3 nanometer stor, så porerna kan fyllas med gaser, vatten eller andra lösningsmedel.
Porösa material kan skräddarsys för att få de molekyler som kan tränga in i porerna att reagera med varandra. Vissa kemiska reaktioner kan snabbas upp hundrafalt på detta sätt.
Ett exempel är så kallad krackning, där stora molekyler i olja spjälkas till de mindre som finns i bensin, med hjälp av porösa så kallade zeoliter.
Om porerna fylls med molekyler av till exempel ett läkemedel, kommer molekylerna sakta men säkert under en lång tid att hitta ut ur labyrinten, istället för att komma allihop på en gång.
Tidigare har det framställts mesoporösa material, det vill säga med porer i storleksordningen 2-50 nanometer, med ett eller två sammanlänkade porsystem.
Nu har forskarna Xiaodong Zou, Daliang Zhang och Junliang Sun vid Berzeliicentrum EXSELENT på Stockholms universitet kartlagt det första mesoporösa materialet med tre kanalsystem. Materialet tillverkades av forskare i Singapore, men den intrikata strukturen kunde bara kartläggas med den unika metod för tredimensionell elektronmikroskopi som professor Xiaodong Zou och hennes kollegor professor Sven Hovmöller och Dr. Peter Oleynikov utvecklat.
Mesoporösa material tillverkas genom att olika detergenter (tvålliknande molekyler) först får bilda själva porsystemet. Detergenter består av en vattenlöslig del som kallas huvudet och en fettlöslig del, kallad svansen. Detergenter fungerar som tvättmedel genom att svansarna binds till fettet (smutsen) som sedan kan dras ut i vattnet genom de vattenlösliga huvudgrupperna. När detergenter i höga halter blandas med vattenlösningar klumpar detergenterna ihop sig med varandra. Med tur och skicklighet kan man få dessa klumpar att bilda perfekt regelbundna tredimensionella nätverk.
Genom att kemiskt variera huvudet och svansen på detergenterna har professor Jackie Ying och hennes kollegor i Singapore tillverkat nätverk med olika arkitektur. Dessa används som gjutform för det mesoporösa materialet. Man blandar in silikater (grundelementen i glas) i vattenlösningen och dessa lägger sig runt detergentnätverket. Till sist tar man bort detergenterna, till exempel genom att värma hela materialet.
När detergenterna försvinner lämnar de efter sig ett labyrintiskt porsystem vars väggar utgörs av silikaterna. Går det bra rasar inte hela strukturen ihop, trots att den kan vara mycket porös, med som i detta fall mer än 60 procent hålrum.
Väggarna runt porerna är inte platta utan mjukt avrundade. De bildar så kallade minimalytor, något som matematiker studerat i över hundra år. I större skala kan man enkelt själv göra figurer med minimalytor, nämligen såpbubblor som bildas inuti tredimensionella figurer, till exempel en kub gjord av ståltråd.
Men här talar vi om kristaller som är hundra gånger mindre än ett hårstrå och kanaler som är någon miljondels millimeter i diameter, precis samma storleksordning som molekyler.
Om man räknar samman ytan av alla väggarna i materialet får man den häpnadsväckande siffran av omkring 1000 m2 per gram, motsvarande en fotbollsplan tillknycklad inuti en fingerborg.
– Att förstå den interna strukturen i ett nytt material är viktigt för att utveckla nya tillämpningar. Med hjälp av tranmissionselektronmikroskopi kan man studera kristaller som är nanometerstora, för små för andra strukturbestämmningsmetoder. Med vår metod löste vi för två år sen strukturen av en av de mesta komplicerade zeolitser som strukturbestämts. Det publicerades i den vetenskapliga tidskriften Science.
Det säger Xiaodong Zou, professor i strukturkemi och föreståndare för Berzeliicentrum EXSELENT för porösa material vid Stockholms universitet.
Det nya mesoporösa materialet är det första exemplet på ett material med hexagonal minimalyta.
Artikelns titel: “A tri-continuous mesoporous material with a silica pore wall following a hexagonal minimal surface.”.
Nature Chemistry, April 6, 2009. DOI: 10.1038/nchem.166
Kontaktinformation
Ytterligare information
Xiaodong Zou, Institutionen för fysikalisk, oorganisk och strukturkemi, Stockholms universitet, tfn 08-16 23 89, mobil 076-216 8820, e-post: zou@struc.su.se.
Bilder på de tre forskarna samt på porstruktur och kanalsystem finns att ladda ner på http://www.su.se/pub/jsp/polopoly.jsp?d=6936&a=61180. En kort film med rörliga bilder av porstrukturen i det första mesoporösa materialet med tre kanalsystem som VMV-fil kan fås via universitetets presstjänst, e-post press@su.se, tfn 08-164090.
