Nova metoda međunarodnog istraživačkog tima, predvođenog znanstvenicima Instituta Ruđer Bošković, omogućuje preciznije oblikovanje unutarnje građe poroznih materijala uz manje otapala i manju potrošnju energije. Otkriće bi moglo pridonijeti razvoju učinkovitijih tehnologija za hvatanje CO₂, pročišćavanje goriva i održiviju kemijsku industriju.

Napredni materijali koji mogu selektivno zadržavati određene molekule mogli bi imati važnu ulogu u rješavanju nekih od najvećih izazova suvremene industrije, od smanjenja emisija ugljikova dioksida do učinkovitijeg pročišćavanja kemijskih procesa. No njihov razvoj često je složen jer isti početni sastojci mogu stvoriti različite unutarnje strukture, a samo neke od njih imaju željena svojstva.

Međunarodni istraživački tim, predvođen dr. sc. Ivanom Brekalo s Instituta Ruđer Bošković, pokazao je da se taj proces može znatno bolje kontrolirati jednostavnim dodatkom – svega nekoliko kapi pažljivo odabrane tekućine tijekom miješanja i mljevenja početnih sastojaka.

Rezultati istraživanja upućuju na novi, učinkovitiji pristup proizvodnji poroznih materijala koji bi se mogli koristiti za izdvajanje plinova, pročišćavanje industrijskih procesa i razvoj zelenijih tehnologija.

Porozni materijali imaju posebnu unutarnju strukturu ispunjenu mikroskopskim šupljinama koje im omogućuju selektivno vezanje određenih molekula. Zahvaljujući toj sposobnosti mogu djelovati poput vrlo preciznih filtara – neke molekule prolaze kroz njihove pore, dok se druge zadržavaju.

Takvi materijali već se istražuju za primjene poput hvatanja ugljikova dioksida iz industrijskih plinova, odvajanja različitih plinova koji se koriste u proizvodnji te pročišćavanja goriva i kemijskih sirovina.

Ključ njihovih svojstava nalazi se u veličini, obliku i rasporedu pora. Međutim, pronalazak odgovarajuće strukture često zahtijeva brojne eksperimente, velike količine otapala, zagrijavanje i značajnu potrošnju energije.

U novom istraživanju znanstvenici su pokazali da se stvaranje željene strukture može usmjeravati mnogo jednostavnije. Istraživači su proučavali dobro poznatu skupinu poroznih materijala izgrađenih od cinka i organskog povezivača imidazola, koji služe kao modelni sustav u istraživanjima diljem svijeta.

Umjesto klasičnih metoda sinteze u velikim količinama otapala, koristili su mehanokemijski postupak – mljevenje početnih sastojaka uz dodatak vrlo male količine tekućine.

Pokazalo se da upravo odabrana tekućina može usmjeriti način na koji se atomi povezuju i odrediti konačnu strukturu materijala.

Usporedba 45 različitih otopina pokazala je da isti početni sastojci mogu proizvesti 13 različitih verzija materijala koje pripadaju osam različitih skupina unutarnjih struktura. Među njima su pronađene i dvije strukture koje dosad nisu bile zabilježene.

Osim konačnih oblika materijala, znanstvenici su uspjeli pratiti i privremene međufaze tijekom njihova nastanka, što im je omogućilo bolje razumijevanje procesa i preciznije usmjeravanje budućih eksperimenata.

– Više ne promatramo, nego usmjeravamo kako se materijal sastavlja. Jedna jedina kap dovoljna je da upravljamo kako se isti atomi povezuju, a uz manje tekućine, manje energije i više kontrole, objašnjava dopisna autorica dr. sc. Ivana Brekalo s Instituta Ruđer Bošković.

Kako bi potvrdili dobivene rezultate, istraživači su koristili napredne rendgenske metode koje omogućuju uvid u raspored atoma unutar materijala. Analize su provedene u Hrvatskoj, kao i u velikom nacionalnom laboratoriju u Sjedinjenim Američkim Državama.

Uz eksperimentalna mjerenja, provedene su i računalne simulacije na superračunalima u Hrvatskoj, Ujedinjenom Kraljevstvu, Poljskoj i Kanadi. Njihov cilj bio je objasniti zašto upravo određene tekućine dovode do nastanka pojedinih struktura.

Kombinacija eksperimenata i računalnih izračuna omogućila je stvaranje temelja za razvoj svojevrsne „kuharice“ za dizajn novih materijala – ako je poznato koje svojstvo želimo postići, moguće je ciljano odabrati strukturu i način njezine pripreme.

Mogućnost preciznog oblikovanja unutarnje građe materijala mogla bi imati široku primjenu u industriji. Učinkovitiji porozni materijali mogli bi pridonijeti boljem hvatanju CO₂, razvoju otpornijih filtara za zahtjevne uvjete te stvaranju učinkovitijih i dugotrajnijih katalizatora.

Posebna vrijednost nove metode jest u tome što smanjuje potrebu za velikim količinama otapala i energije, čime proizvodnja naprednih materijala postaje jednostavnija, ekonomičnija i ekološki prihvatljivija.

Istraživanje je rezultat međunarodne suradnje znanstvenika Instituta Ruđer Bošković te partnerskih institucija iz SAD-a, Poljske, Kanade i Ujedinjenog Kraljevstva. Rad su predvodile Ivana Brekalo, Mihails Arhangelskis i Tomislav Friščić, a proveden je uz potporu Ministarstva znanosti i Hrvatske zaklade za znanost u okviru Nacionalnog plana oporavka i otpornosti.