Пористый металл что это

Обновлено: 07.07.2024

Всем известно, что кость, — один из наиболее прочных биологических материалов. Костная ткань стойка к сопротивлению и сжатию, чрезвычайно долго противостоит разрушению. Похожим на нее ученые решили сделать и металл будущего.

Металлическое чудо

С развитием технологий обнаруживается все больше возможностей модификации традиционных материалов, например металла. Структура, состоящая, как правило, из алюминия, и содержащая большое количество наполненных газом пор — называется металлическая пена. Как правило, примерно 75-95 процента ее объема составляют пустоты. Материал обладает уникально малым весом — некоторые виды металлической пены настолько легки, что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.

О пористых металлах заговорили еще в 1990-х годах. Считалось, что отличительной чертой такого материала является низкая плотность: 0,4 — 1 грамм на кубический сантиметр. В силу особенностей своей структуры металлическая пена способна поглощать большое количество энергии при относительно низком уровне напряжения. Технология обеспечила возможность сочетания различных металлов и получения изделий разнообразной формы. Исследования осуществлялись с алюминием, но возможно получение пены из олова, цинка, бронзы, свинца, латуни и других металлов.

Металлическая пена, так называемый пеноникель, разрабатывается, в частности, российской компанией «Новомет-Пермь». По данным этой фирмы, такой материал обладает экстремально высокой сообщающейся пористостью 96 процентов и экстраординарными свойствами. Это структурный аналог открытого ячеистого пенополиуретана, с высокой химической и термической стойкостью, металлической прочностью и жесткостью, низким гидравлическим сопротивлением и развитой удельной поверхностью. Пеноникель, разумеется, необычайно пластичен и технологичен, поддается различным видам механической обработки для придания изделиям требуемой геометрической конфигурации.

Уникальные свойства пеноникеля делают его пригодным для широкого диапазона применений. Среди них: теплообменники, пламепреградители, звукоизолирующие устройства, гомогенизаторы жидкостей и газов, электрофильтры, адсорберы, наполнители многослойных конструкций

Пена нового поколения

Как и все в науке, металлическая пена подверглась совершенствованию. Недавно доктор Афсанех Рабией из университета Северной Каролины открыла самую прочную металлическую пену в мире. Материал может сжиматься до 80 процентов своего размера под действием веса и сохранять первоначальную форму. Новая металлическая пена уникальна благодаря своей однородности ячеек и их стенок. Именно это придает ей прочность и эластичность, необходимую для сжатия без деформации.

Сферы применения такой металлической пены — самые разнообразные. Наиболее же перспективным является использование в автомобиле- и машиностроение. Полагают, что металлическая пена может применяться в качестве элементов боковой и лобовой обшивки кузовов автомобилей и железнодорожных вагонов в целях максимального поглощения энергии удара при столкновениях. Защита водителя и пассажиров станет максимально надежной и комфортной. Металл идеален при создании военной амуниции, в строительстве — эластичная и прочная пена в конструкции зданий способна выдержать любое землетрясение. В будущем металлическая пена может стать неотъемлемой частью машиностроения, а также использоваться в производстве металлокерамики. Материал идеально подходит для создания крупногабаритных чрезвычайно прочных конструкций — другого материала, который способен обеспечить такое соотношения прочности и веса, человечество еще не придумало. Безусловно, она будет активно применяться в космических технологиях, где минимизация массы имеет огромное значение.

Российской действительности еще предстоит знакомство с металлической пеной. Специалист испытательного центра «СПбГАСУ» Виктор Зверев отказался от комментариев, сказав лишь: «Такой материал нам не знаком и не проходил лицензирование».

Выяснилось, что и на заводах царит пенометаллический нигилизм. Мнение инженеров разделилось. Одни удивляются изобретению, например, Вячеслав Коньков из «Металлиста»: «Это что-то новое и очень интересное, вышлите мне по факсу информацию». Другие же скептически заявляют: «Вряд ли это самый прочный материал. Мы не используем никакую металлическую пену», — прокомментировал Юрий Филисов из компании «Петросталь». Вероятно, в будущем ситуация изменится.

Рецептура

Каков же процесс производства такой пены? Технология проста. Сперва смешивают порошки металлов или сплавов со специальным связующим, которое проникает в металлическую матрицу. Происходит термообработка матрицы, помещаемой в полую форму, при температуре, близкой к точке плавления данного металла. В результате металл плавится, содержащийся в соединении газообразный водород освобождается и вспенивает жидкий металл. Последний поднимается, как дрожжевое тесто: объем образующегося материала, состоящего на 85 процента из воздуха и на 15 — из металла, впятеро превышает исходный. После охлаждения детали вынимаются из формы — они готовы к использованию.

Практический аспект

Металлические пены из алюминия, магния, стали, титана или цинка выдерживают высокое давление, приглушают звук, ослабляют вибрации, хорошо изолируют. Они легко поддаются сверлению, распиливанию и фрезерованию, а потому успешны для защиты от ударов в автомобилях, в качестве катализаторов в химии, в изготовлении топливных элементов, а также как биологически совместимый протез костной ткани в медицине.

В авиакосмической промышленности замена алюминиевыми пенными панелями дорогостоящих сотовых конструкций может сократить издержки производства. Алюминиевые пористые панели могут способствовать сокращению потребления энергии при эксплуатации лифтов, так как в условиях высоких скоростей их движения и частой смены ускорений и замедлений легкость конструкции приобретает особо значение. Широкое поле применения в строительстве открывается и для вспениваемых заготовок, которые могут, например, использоваться для закрепления штепсельных розеток в бетонной стене. Такая заготовка может быть помещена в отверстие в стене и подвергнута нагреву после монтажа розетки, в результате чего обеспечивается очень прочное соединение.

Возможно также создание конструктивных элементов с основой из алюминиевой пены, покрытой слоями алюминия, стали, пластмассы или углеродных волокон. «Сегодня эти технологии пригодны для производства крупных серий и полностью автоматизированы», — заявляет физик Иоахим Баумайстер из Института производственных технологий и прикладного материаловедения им. Фраунгофера в Бремене. Однако у алюминия есть и недостатки. Один из важнейших — алюминиевый лом трудно использовать повторно: в нем много различных легирующих добавок. При этом стальной лом целиком идет на вторичную переплавку. По этой причине на автозаводах используется лишь 35 процентов алюминия. Если еще учесть, что производство алюминия один из самых опасных загрязнителей природы, то широкая дорога в производство пене из этого металла кажется закрытой.

В медицине металлические пены используют для ускорения процессов заживления костной ткани. Как уже было отмечено, структура пористого материала подобна естественной структуре кости. Поэтому он идеально подходит для ее замещения.
Использование композитных имплантантов из титановой пены позволяет значительно ускорить выздоровление пациентов со сложными переломами костей. Ученые разработали биологически совместимый материал, структурой и физическими свойствами подобный естественной костной ткани. В итоге титановая пена выступает каркасом, а минеральное покрытие обеспечивает врастание в него костной ткани.

Как видно, мало знакомый российским экспертам, но интереснейший и многообещающий металл — важное открытые. Своевременное и нужное.

Металл будущего станет пористым

Металлическая пена разработка свойства применение

Металлическая пена на основе лёгких металлов обладает массой интересных комбинаций различных свойств. Материал, к примеру, демонстрирует высокую степень жёсткости в сочетании с очень низким удельным весом. Или также можно отметить свойства высокой прочности на сжатие в сочетании с добротными характеристиками поглощения энергии. Соответственно, интерес, проявляемый к этим видам материалов, отмечается высоким уровнем роста.

Металлическая пена на основе алюминиевого сплава

Рассмотрим особенности производства материала – металлическая пена на основе алюминиевого сплава, структурно имеющего закрытые поры. Именно этот продукт демонстрирует хороший потенциал в плане высокой конкуренции на рынке.

Существуют две основополагающие стратегии производства алюминиевой металлической пены. Метод прямого вспенивания предполагает использование расплавленного металла, содержащего однородно-диспергированные неметаллические частицы, которые подвергаются воздействию газом с целью образования металлической пены.

В качестве альтернативы производства в расплав допустимо добавить гидрид титана, после чего процесс разложения приводит к аналогичному эффекту.

Способы непрямого вспенивания предполагают использование твёрдых прекурсоров, содержащих алюминиевую матрицу и однородно-диспергированные частицы вспенивающего агента, в основном гидрида титана или циркония. По факту плавления твёрдые прекурсоры расширяются, образуя металлическую пену.

Прямое вспенивание расплавов путём впрыска газа

Вспенивание алюминия или алюминиевых сплавов путём воздействия газом находит широкое применение в промышленном производстве. Для вспенивания сплава требуется добавить:

карбид кремния,
оксид алюминия,
другие керамические частицы.

Объемная доля армирующих частиц обычно составляет 10-20%, а средний размер частиц достигает 5-20 мкм. Впрыск газа (как правило, воздуха) осуществляется через специально разработанные форсунки, часть которых вращаются или вибрируют. Образовавшаяся металлическая пена накапливается на поверхности жидкости, откуда снимается, например, с помощью конвейерной ленты. Далее образованная металлическая пена остывает и твердеет.

Пример создания готовой детали алюминиевого профиля, армированного стальной сеткой, основой структуры которого является металлическая пена

Вспененный материал применяют либо в том состоянии, в котором выдаёт литейная машина, имея замкнутую внешнюю поверхность, либо нарезают требуемую форму после вспенивания. Преимущества этого процесса вспенивания включают большой объём получаемой металлической пены и низкую степень плотности продукта.

Канадской фирмой «Cymat» выполняется производство металлической пены, получившей обозначение «стабилизированная алюминиевая пена (SAF)», именно способом, рассмотренным выше.

Металлическая пена — изменение технологии получения

Однако способ вспенивания расплава специалисты решили коренным образом изменить. В частности, эту идею выдвинул Центр компетенции по лёгким металлам (LKR), а также инженеры металлургического предприятия Австрии. Ключевым моментом идеи является новая концепция закачки газа, которая приводит к получению металлической пены с превосходной однородностью размеров ячеек.

Кроме того, методом заливки металлической пены допустимо создавать детали сложной формы закрытые внешней обшивкой. Разработка под коммерческую эксплуатацию этого типа алюминиевой пены, получила наименование «Metcomb».

Вспениваемые материалы прекурсоры производят различными способами:

Путём смешивания порошка алюминия и гидрида титана с последующим уплотнением смеси, например, методом горячего прессования, экструзии или прокатки порошка. Если требуются металлические пены из сплава, смесь дополняется порошковыми металлами (процесс «Foam-in-Al» или «Alulight»).
Путём предварительного прессования порошковых смесей в заготовки, нагревания этих заготовок до полутвердого состояния с последующим тиксолитьём в формованные заготовки.
Добавлением вспенивателя к расплаву алюминиевого сплава, после чего расплав затвердевает. Это можно сделать в машине для литья под давлением или в обычном тигле, однако во втором случае порошки вспенивающего агента необходимо предварительно обработать, чтобы предотвратить преждевременное разложение (процесс «Formgrip»).
Обработка жидким алюминиевым спреем с последующим осаждением в присутствии вспенивателя.

Во всех случаях получают вспениваемый предшественник, который допустимо вспенить путём (повторного) плавления. Производство металлической пены на основе одного из методов непрямого вспенивания осуществляется некоторыми австрийскими и немецкими компаниями.

Современные исследования физики металлических пен

Одной из наиболее оживлённых областей исследований сегодня отмечается физика металлических пен. Задача здесь состоит в том, чтобы понять, как стабилизируются металлические пены и каким образом допустимо улучшить материал. Целью также является повышение надёжности производства и улучшения свойств вспененных металлов.

Исследованиями установлено — наличие неметаллических частиц в диапазоне размеров от десятков нанометров до десятков микрометров в жидком металле имеет решающее значение для стабильности металлической пены. Однако механизм стабилизации до настоящего времени оставляет вопросы. По аналогии с физикой водной пены для этой области исследований придуман термин — высокотемпературная коллоидная химия.

Опытные образцы на основе алюминиевых профилей с наполнением алюминиевой металлической пеной

Не менее важная область исследований — важная область — отношения между структурой и свойствами. Интуитивно кажется очевидным, что однородная металлическая пена с гладкими стенками ячеек обеспечивает наилучшие механические свойства. Однако реальных доказательств пока нет.

Существует множество макроскопических и морфологических параметров, описывающих металлическую пену:

плотность,
распределение ячеек по размеру,
ориентация ячеек по размеру,
кривизна ячеистой стенки,
трещины ячеистой стенки,
микроструктура.

Также играют важную роль — гранулометрический состав, уровень примесей, условия старения. Лёгкое и понятное представление экспериментальных данных найти крайне трудно.

Наконец, моделирование конструкций на основе металлической пены важно для возможности интерпретации экспериментальных данных и помощи инженерам-конструкторам в плане применения материала на практике.

Обобщённая концепция для металлической пены

Металлическая пена обладает теми положительными свойствами, которые делают применение материала пригодным для автомобильной промышленности. Соответственно, именно производители автомобилей проявляют наибольший интерес к разработкам с момента первой концепции.

Возможные применения также отмечаются для областей:

судостроения,
авиации,
космической промышленности, .

Основные функции, между тем, необходимо выделить следующим образом:

Алюминиевые металлические пены допустимо использовать для оптимизации удельной жёсткости на изгиб разных инженерных компонентов. Лёгкая конструкция использует квазиупругую и обратимую часть кривой нагрузки-деформации.
Благодаря высокой пористости, алюминиевая металлическая пена поглощает большое количество механической энергии при деформации, в то время как напряжения ограничиваются пределом прочности материала на сжатие. То есть, металлическая пена действует как поглотитель энергии удара, ограничивая ускорение при столкновении.
Алюминиевые металлические пены гасят вибрации и поглощают звук в определённых условиях. Кроме того, теплопроводность материалов низкая при способностях выдерживать повышенные температуры.

Металлическая пена — явно конкурентоспособный продукт, но при условии использования многих свойств материала. Подлинная многофункциональность материала, к примеру, позволит за счёт лёгкой конструкции снижать шум и поглощать энергию при авариях. Обычный пенопласт, как правило, не является оптимальным решением данной инженерной проблемы.

Оптимизация жёсткости требует использования сэндвич-панелей плотной структуры. Соответственно, металлическая пена способна действовать очень эффективно, если заполняет металлические секции или полые литые детали.

В качестве альтернативы металлическую пену допустимо армировать стальной сеткой для повышения устойчивости к натяжению. В определённых ситуациях это решение может составить конкуренцию традиционным сэндвич-панелям.

Технология AFS — сэндвич-панели и вспененный алюминий

Технология AFS, разработана компанией «Fraunhofer-IFAM» (Бремен) и немецкой автомобилестроительной компанией «Karmann GmbH». Технология является одним из примеров использования металлической пены в сочетании с плотным материалом. В частности, сочетаются сэндвич-панели, состоящие из вспененного металлического сердечника и две металлических поверхности.

Листы получают путём рулонной облицовки обычных алюминиевых листов вспененным материалом-предшественником, изготовленным из порошков. Полученному композитному материалу допустимо придать форму на необязательном этапе, например, путем глубокой вытяжки. Окончательная термообработка, при которой расширяется только вспененная сердцевина, а лицевые листы остаются плотными, приводит к образованию многослойных структур.

Прототип кронштейна крепления двигателя BMW производства компании «LKR Ranshofen»

Возможность изготовления панелей трёхмерной формы и высокое отношение жёсткости к весу являются явным преимуществом перед конкурирующими технологиями, такими как сотовые конструкции. В сочетании с новыми принципами конструкции, технология AFS обещает заменить обычные штампованные стальные детали автомобилей и привести к значительному снижению веса машин.

В то же время технология AFS обещает также:

уменьшить количество деталей рамы автомобиля,
упростить сборку,
снизить затраты,
повысить производительность.

Сэндвич-детали технологии AFS поддерживают соединение с алюминиевыми профилями посредством различных методов сварки, что облегчает интеграцию деталей в кузов автомобиля.

Практический пример применения технологии

Не так давно фирма «Applied Light-weightMaterials» — дочерняя компания «Karmann» в области производства металлических пеноматериалов, построила новый подъёмный рычаг. Рычагом поддерживается ремонтная платформа, установленная на небольшом грузовике.

Задача заключалась в увеличении диапазона вертикального подъёма платформы от 20 до 25 метров при сохранении общего веса транспортного средства ниже 3,5 тонн. Идея заключалась в том, чтобы снизить эксплуатационные расходы, не допуская попадания грузовика в другую весовую категорию более 3,5 тонн, что подразумевает более высокие страховые ставки и требует привлечения более квалифицированных водителей.

Расчёт методом конечных элементов показал, что сварная конструкция на основе алюминиевых профилей не способна выдержать вес платформы, в то время как конструкция на основе стали тяжелее. Здесь панели AFS успешно применили для решения проблемы. Плоские панели AFS сварили MIG-сваркой, достигнув общего веса конструкции 105 кг, что вполне приемлемо.

Вертикальное усилие в точке поворота рычага составляет 65 кН, крутящий момент в нижней части рычага 85 кН/м. Компоненты испытывались квазистатически и циклическими испытаниями (80 000 циклов). При этом не отметилось никаких признаков повреждения.

Сейчас налажено мелкомасштабное производство деталей для производителя подъёмной системы «Teupen GmbH Gronau» (Германия). Технология AFS в этом случае успешно позволяет увеличить высоту подъёма системы, сохраняя вес ниже определённого порога, установленного законодательством.

Металлическая пена для труб и секций

Другой пример применения алюминиевой металлической пены — амортизаторы. Иностранные (европейские) страховые компании обеспечивают соблюдение правил безопасности пассажиров автомобилей на случае аварий, сводят к минимуму ущерб, нанесённый автомобилю и связанные с этим расходы на ремонт

Производители автомобилей использовали идею аварийного бокса, чтобы соответствовать этим стандартам. Такого рода краш-боксы размещаются между противоударной балкой и передним рельсом автомобиля. Устройства деформируются, поглощая энергию удара, защищая более дорогие компоненты передней части в дополнение к раме автомобиля. Один из вариантов для краш-бокса — это пустая трубка, которая пластически сжимается и поглощает энергию.

Тип отказа трубы — создание пластиковых складок по длине трубы через равные промежутки времени. Вставкой сердцевины на основе алюминиевой пены, изготовленной путём прямого вспенивания расплава в центр трубки, достигают поглощения энергии.

Наружная трубка складывается по своей длине, но количество складок увеличивается. Как результат — энергия, поглощаемая заполненной трубкой, больше, чем энергия пустой трубки. Энергия также поглощается вспененной сердцевиной, и общая энергия, поглощаемая заполненной пеной трубкой, больше, чем сумма отдельных энергий трубки и металлической пены.

Исследования, проведенные специалистами компании «FIAT» и Норвежским университетом науки и технологий, показывают — наряду с улучшенным осевым поглощением энергии также значительно улучшается поглощение энергии при внеосевых столкновениях.

Специалистами фирмы «Cymat» разработана программа совместно с инженерами «Valeo» по созданию аварийного бокса для внедрения в системы интерфейсных модулей «Valeo». Несколько иная концепция конструкции, когда металлические пены двух разных плотностей применяются для точной настройки кривой деформации поглотителя.

Металлическая пена под армирование конструкций

Амортизаторы применяют и на рельсовом транспорте, например, в конструкциях трамваев (вагонов). Опять же, движущей силой технологических инноваций здесь является безопасность. Трамвайным системам присуща противоподкатная защита. Эти и другие соображения устанавливают определённые правила проектирования. В то же время требуется эффективная защита от столкновений, например, с автомобилями.

Поскольку монтажное пространство очень ограничено, здесь полезным видится использование алюминиевой металлической пены. Немецкими специалистами разработана аварийную систему для модульной концепции трамвая, которая позволяет реализовать задаваемые заказчиком требования к конструкции.

Сердцевина на основе алюминиевой металлической пены изготовлена путём вспенивания предшественников, полученных методом экструдирования порошковых смесей и заделки металлической пены в резиновую оболочку. В настоящее время такого типа амортизаторы производятся сотнями штук, реализуются многим производителям трамваев и ремонтным депо.

Алюминиевая металлическая пена как основа для отливок

Ещё одно применение использует полезные свойства алюминиевой металлической пены внутри плотной алюминиевой оболочки, как во время производства, так и после. Основа — фасонная деталь на основе алюминиевой металлической пены «Metcomb» или «Alulight» (непрямое или прямое вспенивание).

Детали имеют плотную внешнюю оболочку и поэтому могут использоваться в качестве сердечников при литье под низким давлением. В процессе литья формируются композиты, состоящие из литой внешней поверхности и лёгкого внутреннего сердечника.

Такие композиты обладают полезными эксплуатационными характеристиками:

высоким уровнем жёсткости,
улучшенным демпфированием,

по сравнению с пустыми полыми деталями, в то время как вес лишь незначительно выше. Фирма «LKR» (Австрия) и производитель автомобилей «BMW» (Германия) совместно разработали кронштейн крепления двигателя на основе таких композитов (картинка выше). Изготовленные детали не показывают заметной инфильтрации самого сердечника «Metcomb» расплавом в процессе литья.

Композит может выдерживать большой вес автомобильного двигателя и поглощает механические колебания за счёт внутреннего рассеяния в тепловую энергию. Повышается жёсткость, стойкость к образованию трещин, соответственно, повышается безопасность при аварийных ситуациях.

Другой пример — сердцевина из алюминиевой металлической пены «Alporas» переработана в композитную деталь, где металлическая пена полностью погружена в плотную оболочку. Для изготовления использовалось литьё в песчаные формы. Обшивка сделана сплавом «AlZn10Si8Mg», тогда как сердцевина вспененного материала состоит из типичного сплава «AlCa1,5Ti1,5».

Деталь спроектирована таким образом, что частоты вибрации до 370 Гц подавляются внутренним трением и / или межфазным скольжением между сердечником и обшивкой. К настоящему времени этой композитной деталью оснащено семьсот машин. Достигнуты уровни шумоподавления до 60% в указанном диапазоне частот.

Стоимость детали лишь немногим выше стоимости традиционной заливки балок с песчаным сердечником. Таким образом, будущее этого типа применений выглядит обнадёживающим и перспективным.

Металлическая пена – заключение

Последнее десятилетие демонстрирует разработку ряда новых технологий вспенивания металлов, которые теперь предлагают широкий спектр различных форм уникального материала. По сравнению с ранними разработками 1950-1970-х годов, качество металлической пены существенно улучшилось, возможности изготовления композитов расширились. Поэтому вполне реальным видится скорое широкое применение металлической пены при сооружении автомобилей, кораблей, самолётов, а также космических аппаратов.

Металлорганические каркасы (MOF — Metal Organic Framework) – что это такое?

Главная страница » Металлорганические каркасы (MOF — Metal Organic Framework) – что это такое?

Металлорганические каркасы (МОК) представлены органическо-неорганическими гибридными кристаллическими пористыми материалами, состоящими из отдельных ионов металлов (кластеров металлов), связанных политопными органическими лигандами. Металлорганические каркасы обеспечивают уникальное структурное разнообразие, в отличие от других пористых материалов. Благодаря этой особенности, достигается успешный контроль топологии, пористости и функциональности каркаса.

Кристаллические пористые материалы

Уникальная структура (изменчивая структура) МОК – это кристаллические пористые материалы, которые состоят, как из органических, так и неорганических компонентов в жесткой периодической сетевой структуре. Металлорганические каркасы не всегда доступны в обычных пористых материалах, например, чисто неорганических цеолитах.

Изготавливая металлорганические каркасы из различных атомов металла и органических линкеров, разработчикам доступно создавать материалы, которые избирательно поглощают определенные газы в специальные карманы внутри структуры. Поэтому металлорганические каркасы предлагают значительный потенциал для эффективной интеграции, а также исследований в различных областях применения датчиков.

Примерно такими могут выглядеть натурально так называемые металлорганические каркасные структуры – в частности, синтезированный продукт «Ti-MIL-101»

Металлорганические каркасы допускают произвольную сборку, подобно кубикам конструктора «Lego» или аналогичным. При этом налицо превосходство любых ранее известных классов материалов, с точки зрения свойств гибкости. Этот вид пористых материалов имеет внутренние поверхности, которые могут составлять до 4000 м 2 /г.

Применения металлорганических каркасов

Отмечается разработка многочисленных применений, когда используется клетчатая структура МОК, обладающая беспрецедентными внутренними поверхностями и лёгкой химической настройкой для захвата с последующим хранением газов и частиц.

Так, углеродистые материалы вызывают повышенный интерес к широкому применению, где используются функции:

адсорбции,
катализа,
электролиза,
топливных элементов,
суперконденсаторов,
доставки лекарств и визуализации.

Кроме того, некоторые типы датчиков также видятся одной из важных областей применения углеродистых материалов, поскольку такие приборы тесно связаны с медицинской сферой.

Ручная процедура приготовления МОК, характерная, как правило, для лабораторных испытаний. Ничего сложного и экстраординарного. Обычная химия

Существуют различные подходы к получению такого рода углеродных материалов. Однако среди готовых продуктов прямая карбонизация из органических материалов является наиболее часто используемым способом получения нанопористых углеродов. Эти материалы имеют определенные недостатки:

малую площадь поверхности,
неупорядоченные структуры,
неоднородные размеры,

что сильно ограничивает возможности применения. Однако исследованиями обнаружено, что углеродные материалы, полученные на основе металлорганических каркасов, способны преодолевать эти ограничения.

Металлорганические каркасы и газовые датчики

Как правило, приборы, призванные обнаруживать следы определенного газа в составе воздушной атмосферы, представляют собой габаритные, дорогостоящие, энергоёмкие машины. Поэтому одним из многообещающих способов изготовления небольших, недорогих, энергетически эффективных газовых датчиков выступают пористые материалы, в частности, металлоорганические каркасы.

Изготавливая МОК из различных атомов металла и органических линкеров, разработчикам доступно создание материалов, избирательно поглощающих определённые газы в специальные карманы внутри структуры. Большая площадь поверхности МОК также является преимуществом для высокопроизводительных газовых датчиков.

Одним из практических примеров является тонкоплёночный специально изготовленный МОК, нанесённый на электрод, образующий электронный датчик, способный обнаружить следы газообразного диоксида серы.

Устройства эффективного захвата парниковых газов

Исследованиями определён конкретный материал металлорганического каркаса, демонстрирующий беспрецедентный механизм улавливания и выпуска диоксида углерода при малых изменениях температуры. Такая структура МОК с адсорбированным CO₂ сильно напоминает фермент «RuBisCO», обнаруженный в растениях, способный улавливать CO₂ из атмосферы с последующим превращением в питательные вещества.

Этим примером открывается путь для разработки более эффективных материалов, значительно снижающих общие затраты энергии на процессы улавливание углерода. Подобного рода материалы допустимо использовать под фильтрацию углерода на электростанциях, работающих на ископаемом топливе, а также непосредственно в атмосфере, смягчая парниковый эффект.

Ещё один пример, подтверждённый исследованиями – «Mg-MOF-74», металлорганический каркас с открытой металлической площадкой — наиболее перспективная стратегия фильтрации и хранения парниковых газов.

Удаление тяжелых металлов из воды с помощью МОК

Лабораторными исследованиями выполнена обработка металлорганической каркасной структуры, известной как «Fe-BTC». По сути, это допамин, полимеризованный в полидопамин, закрепляющий полимер внутри металлорганического каркаса. Конечный композит, названный «Fe-BTC», способен быстро избирательно удалять большое количество тяжелых металлов (свинец и ртуть) из проб воды. Фактически, композит способен удалить ртути в 1,6 раза больше своего веса, а свинца в 0,4 раза.

Схема создания композитов: 1 – МОК гибрид; 2 – ковалентная модификация; 3 – нековалентное воздействие; 4 – варианты использования МОК; 5 – на металлических узлах; 6 – на лиганде; 7 – инкапсуляцией; 8 – послойно; 9 – выращиванием на месте; 10 – жертвенный шаблон; 11 – предшественник; М – другие материалы или малые молекулы

Композит «Fe-BTC» также испытывался в растворах, токсичных на таком же уровне, как худшие пробы воды. Испытания показали, что этот МОК за считанные секунды может снизить концентрацию свинца до 2 частей на миллиард. — уровень, который Всемирной организацией здравоохранения признан пригодным для питьевой воды.

Металлорганические каркасы под фильтр ядерных отходов

На атомных электростанциях и в местах хранения отходов особенно сложными под фильтрацию являются радиоактивные органические йодиды. Эти соединения состоят из углеводородов и йода.

Химически модифицируя МОК центрами связывания, где есть химически активный азот, способный связываться с органическими йодидами, ученые создали металлорганические каркасные фильтрующие структуры. Такие устройства демонстрируют более высокую способность метилиодида (увеличенную практически в три раза), чем применяемый в настоящее время промышленный адсорбент в идентичных условиях.

Кроме того, такие металлорганические каркасы преимущественно служат хорошими абсорбентами при более низких температурах. Плюс, адсорбент МОК допустимо повторно использовать многократно без потери ёмкости, в отличие от других известных промышленных абсорбентов.

Металлорганические каркасы под вакцины

Вакцины с металлорганическими каркасами основаны на биосовместимой полимерной структуре, «замораживающей» белки внутри вакцин. Белки затем растворяются при попадании в кожу человека. Это нововведение может помочь медицинским работникам транспортировать и вводить вакцины в условиях отдалённых районов с ненадёжным электропитанием.

Вакцины МОК представлены кристаллами, содержащими антиген, подобный белку на поверхности вируса гриппа. Исключение составляет фактор заморозки внутри кристаллической решётки, поэтому антиген не может денатурировать или изменить форму.

Дендритные клетки, представленные нано-вакцинами, которые, в данном случае, выглядят подобно дискам, приготовленным из пористых частиц кремния, нагруженных иммунитетом

Конструктивные преимущества металлорганических каркасных структур позволяют работать лучше при комнатной температуре, чем искусственные оболочки, подобные таким, как кремнезём. В частности, пористая структура металлорганического каркаса позволяет функционировать как полупроницаемый барьер для транспортировки в составе вакцин биологического вещества — белка или антигена.

Имплантируемые питательные датчики МОК

Благодаря интеграции металлорганических каркасных структур с гибкой электроникой, становится возможным электрохимическое обнаружение питательных веществ без использования ферментов. Экспериментально исследователями уже продемонстрированы датчики МОК, допускающие использование для обнаружения следов:

аскорбиновой кислоты,
L-триптофана,
глицина,
глюкозы,

которые являются питательными веществами, тесно связанными с процессами обмена веществ и кровообращения.

Эти датчики допустимо имплантировать, а поскольку металлорганические каркасы очень стабильны, новый метод может потенциально использоваться для проведения долгосрочного мониторинга биомолекул в разных местах одновременно.

Эти устройства реально использовать как инструмент, помогающий лучше понять различные жизненные процессы. В сочетании с большим количеством функций стимуляции и измерения, этот тип устройств удачно применим для контроля поведения животных, выявления основного механизма биологических процессов, мониторинга состояния здоровья и лечения заболеваний.

При помощи информации: NanoWerk

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Читайте также: