Однако не все возможные структуры MOF достаточно стабильны, чтобы их можно было использовать для таких применений, как катализирование реакций или хранение газов. Чтобы помочь исследователям выяснить, какие структуры MOF могут лучше всего подходить для данного приложения, исследователи Массачусетского технологического института разработали вычислительный подход, который позволяет им предсказать, какие структуры будут наиболее стабильными.

Используя свою вычислительную модель, исследователи определили около 10 000 возможных структур MOF, которые они классифицируют как "ультрастабильные", что делает их хорошими кандидатами для таких применений, как преобразование газообразного метана в метанол.

"Когда люди придумывают гипотетические MOF-материалы, они не обязательно заранее знают, насколько стабилен этот материал", - говорит Хизер Кулик, адъюнкт-профессор химии и химической инженерии Массачусетского технологического института и старший автор исследования. "Мы использовали данные и наши модели машинного обучения, чтобы создать строительные блоки, которые, как ожидалось, должны были обладать высокой стабильностью, и когда мы рекомбинировали их значительно более разнообразными способами, наш набор данных пополнился материалами с более высокой стабильностью, чем любой предыдущий набор гипотетических материалов, которые были придуманы людьми".

Аспирант Массачусетского технологического института Адитья Нанди является ведущим автором статьи, которая сегодня появляется в журнале Иметь значение Другими авторами являются постдок Массачусетского технологического института Шувэнь Юэ, аспиранты Чанхван О и Джанмарко Терранес, доктор философии Ченру Дуань 22 года и Юнчул Г. Чанг, адъюнкт-профессор химической и биомолекулярной инженерии в Национальном университете Пусана.

Моделирование MOFs

Ученые заинтересованы в MOF, потому что они имеют пористую структуру, которая делает их хорошо подходящими для применений, связанных с газами, таких как хранение газа, отделение похожих газов друг от друга или преобразование одного газа в другой. Недавно ученые также начали изучать возможность их использования для доставки лекарств или визуализирующих агентов внутрь организма.

Двумя основными компонентами MOF являются вторичные строительные блоки - органические молекулы, которые включают атомы металлов, таких как цинк или медь, - и органические молекулы, называемые линкерами, которые соединяют вторичные строительные блоки. По словам Кулика, эти части можно комбинировать самыми разными способами, точно так же, как строительные блоки LEGO.

"Поскольку существует так много различных типов блоков LEGO и способов их сборки, это приводит к взрывному сочетанию различных возможных металлорганических каркасных материалов", - говорит она. "Вы действительно можете контролировать общую структуру металлорганического каркаса, выбирая способ сборки различных компонентов".

В настоящее время наиболее распространенным способом разработки MOF является метод проб и ошибок. Совсем недавно исследователи начали пробовать вычислительные подходы к проектированию этих материалов. Большинство таких исследований были основаны на прогнозах того, насколько хорошо материал будет подходить для конкретного применения, но они не всегда учитывают стабильность получаемого материала.

"Действительно хороший MOF-материал для катализа или для хранения газа имел бы очень открытую структуру, но как только у вас есть эта открытая структура, может быть действительно трудно убедиться, что этот материал также стабилен при длительном использовании", - говорит Кулик.

В исследовании 2021 года Кулик сообщила о новой модели, которую она создала, проанализировав несколько тысяч статей о MOF, чтобы найти данные о температуре, при которой данный MOF разрушается, и о том, могут ли конкретные MOF выдерживать условия, необходимые для удаления растворителей, используемых для их синтеза. Она обучила компьютерную модель предсказывать эти две характеристики - известные как термическая стабильность и стабильность активации - на основе структуры молекул.

В новом исследовании Кулик и ее ученики использовали эту модель для идентификации около 500 MOF с очень высокой стабильностью. Затем они разбили эти MOF на их наиболее распространенные строительные блоки - 120 вторичных строительных блоков и 16 компоновщиков.

Путем рекомбинации этих строительных блоков с использованием около 750 различных типов архитектур, включая многие, которые обычно не включаются в такие модели, исследователи сгенерировали около 50 000 новых структур MOF.

"Одной из уникальных особенностей нашего набора было то, что мы рассмотрели гораздо больше разнообразных кристаллических симметрий, чем когда-либо рассматривалось ранее, но [мы сделали это], используя эти строительные блоки, которые были получены только из экспериментально синтезированных высокостабильных MOF", - говорит Кулик.

Сверхстойкость

Затем исследователи использовали свои вычислительные модели, чтобы предсказать, насколько стабильной будет каждая из этих 50 000 структур, и определили около 10 000, которые они сочли ультрастабильными, как с точки зрения термической стабильности, так и стабильности активации.

Они также проверили конструкции на предмет их "пропускной способности" - показателя способности материала накапливать и выделять газы. Для этого анализа исследователи использовали газообразный метан, поскольку улавливание метана может быть полезно для удаления его из атмосферы или преобразования в метанол. Они обнаружили, что 10 000 идентифицированных ими ультрастабильных материалов обладают хорошей способностью улавливать метан, а также механически стабильны, что измеряется их прогнозируемым модулем упругости.

"Проектирование MOF требует учета многих типов стабильности, но наши модели позволяют практически с нулевыми затратами прогнозировать термическую стабильность и стабильность активации", - говорит Нэнди. "Также понимая механическую стабильность этих материалов, мы предлагаем новый способ определения перспективных материалов".

Исследователи также определили определенные строительные блоки, которые, как правило, приводят к получению более стабильных материалов. Одной из вторичных строительных единиц с наилучшей стабильностью была молекула, содержащая гадолиний, редкоземельный металл. Другим был кобальтсодержащий порфирин - большая органическая молекула, состоящая из четырех соединенных между собой колец.

Студенты лаборатории Кулика в настоящее время работают над синтезом некоторых из этих структур MOF и тестируют их в лаборатории на предмет их стабильности и потенциальной каталитической способности, а также способности к газоразделению. Исследователи также сделали свою базу данных ультрастабильных материалов доступной для исследователей, заинтересованных в тестировании их для собственных научных применений.

Исследование финансировалось Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США, стипендией Национального научного фонда для аспирантов, Управлением военно-морских исследований, Министерством энергетики, стартовым фондом Массачусетского технологического института и Национальным исследовательским фондом Кореи.