麻省理工学院化学家通过连接金属有机笼和长链聚合物(蓝色)创造了一种新型的凝胶。循环到笼里的红色聚合物链,可以通过添加其他分子凝胶进一步自定义。(图片由研究人员提供)
这种新型适应性强的金属笼状的凝胶被称为polyMOCs,其展示了用于气体存储、靶向药物释放和水过滤的可能性。它们是金属有机笼子(MOCs)和金属凝胶的混合材料,他们坚硬结构由金属集群呈现。类似于标准的聚合物凝胶，金属凝胶包含附着在聚合物链上,同时MOCs有一个坚硬的结构，可形成晶体材料。
“你可以想象一个具有这两种性能的材料,MOCs具有明确的、自组装结构,也有聚合物凝胶的粘弹性性质。这就是我们努力实现的。”——麻省理工学院Jeremiah Johnson教授
由AleksandrZhukhovitskiy和其他研究院组成的麻省理工学院的研究小组,成功地使用金属-超分子组装技术研发了这种凝胶。使用这种新方法,团队创造了金字塔、明轮、球体等其他3D形状聚合物。这种聚合物通过配体连接,其是有机化合物的一类。因为配体的协调能力，其可消除单个聚合物之间的差距,如在不同的聚合物链附加多个金属原子。
在实验中,配体包括两个吡啶组,每组均具有与金属钯的协调能力。每个钯原子可以与其他四个配体分子成键,这最终产生一个具有24配体分子结构和12钯中心的笼状结构。
该中心还与其他类似的金属笼子通过粘弹性聚合物链结合。所有这些分子内连接的整体效果是形成一个巨大的自组装凝胶。
每个金属笼子与多达24个聚合链连接,其中四、五个聚合物链与其他金属笼子连接。其余未链接的聚合物链回环并链接到自己的金属笼子。这样的环结被认为是缺陷。
然而,麻省理工学院的研究人员利用这种缺陷在特定的配体添加功能分子,这使得他们开发出优化材料。为了实验,团队用荧光分子——芘取代某些环状配体。
“Johnson说：“我们可以取代不连接到另一个笼子的配体并交换,同时保持相同的连接链数量。”“这允许我们做出组成完全不同的材料,但它们具有相同的力学性能。”——麻省理工学院Jeremiah Johnson教授
“通过使用这些金属有机笼子的团簇,能够增加其功能性,这使其具有截然不同的性质和力学行为。这是打开一系列方向大门的优雅的基础科学。”——凯斯西储大学教授Stuart Rowan
“当我们在紫外线荧光下观察这种材料,物理上看，材料没有芘配体。但模量是相同的,膨胀行为是相同的,这个凝胶是强烈的荧光特性的。”——麻省理工学院Jeremiah Johnson教授
Johnson将具有不同功能的不同类型分子添加到这种新材料中。药物分子可以存储在金属笼子中实现药物输运。这种凝胶还可以用于燃料汽车电池的储氢。通过增加配体捕获和隔离重金属，这种材料也可用于水净化。
“你可以想象把各种各样的东西附着在这些多余的配体上来使材料适应不同的应用。目前我们正在努力使配体不仅可以在笼子外放东西还可以在笼子里放东西，以使我们能从笼子内部控制分子吸收或释放。”——麻省理工学院Jeremiah Johnson教授
进一步的研究是开发类似的各种不同笼状的凝胶,并通过比钯更廉价更无毒的金属材料，如钛、铁和锌等来设计材料。
该研究《Nature Chemistry》杂志上发表。
来源：新材料在线
