Racjonalne projektowanie molekularnych architektur magazynowania gazu
Struktury metaloorganiczne (MOF), jak wskazuje ich nazwa, składają się z spoin tlenku metalu związanych z organicznymi elementami wspierającymi. W rezultacie otrzymujemy bardzo porowate struktury składające się z otworów odseparowanych oknami i charakteryzujących się bardzo dużą powierzchnią. MOF są zasadniczo całkiem sztywne i chemicznie stabilne dzięki wytrzymałości ich wiązań chemicznych. Modularność MOF wspomaga racjonalne projektowanie niestandardowych układów porów. W połączeniu z mikroporowatymi zeolitami, wykazującymi wiele takich samych właściwości i znajdujących już wiele różnych zastosowań na całym świecie, tworzą one nanoporowate struktury zeolityczno-imidazolowe (ZIF). ZIF uzyskały szerokie uznanie w kontekście możliwości magazynowania gazu, w tym także związanego z zastosowaniami energetycznymi, jak na przykład wodór (H2) czy metan (CH4), jak również sekwestracji i składowania dwutlenku węgla (CO2). Jednakże pomimo wielkiego potencjału tych związków, odkrycia nowych ZIF do adsorpcji gazu (przyleganie cząsteczek gazu do powierzchni ZIF) zazwyczaj następują metodą prób i błędów. Europejscy naukowcy podjęli się próby wprowadzenia usystematyzowanego projektowania produkcji ZIF poprzez finansowanie w ramach projektu DASZIF. Symulacje molekularne doprowadziły do identyfikacji optymalnych struktur ZIF, które następnie zsyntetyzowano i scharakteryzowano w zakresie adsorpcji różnych gazów. Następnie poprzez badania symulacyjne wyjaśniono przyczynę różnic pomiędzy oczekiwanymi a otrzymanymi profilami adsorpcji. Naukowcy zidentyfikowali przyczynę jako równowagę między siłą interakcji cieczy z cieczą oraz interakcji cieczy z ciałem stałym, która sama w sobie jest funkcją rodzaju cieczy i rozmiaru porów. Jedno z najbardziej ekscytujących odkryć opierało się na wcześniejszych wynikach wskazujących na adsorpcję cząsteczek gazu większych od okien między otworami. Idąc tym tropem, naukowcy eksperymentalnie zademonstrowali strukturalną elastyczność ZIF wynikającą ze zmiany zachodzących w łącznikach imidazolowych. Modyfikacje doprowadziły do powiększenia okien porów. Zespół scharakteryzował następnie ten efekt w odniesieniu do adsorpcji różnorodnych gazów energetycznych. Rozwój nowych ZIF, szczegółowa charakteryzacja ich właściwości adsorpcyjnych oraz ukazanie strukturalnej elastyczności mogą wywrzeć istotny pozytywny wpływ w zakresie magazynowania gazu do celów energetycznych, jak również systemów sekwestracji węgla.
