Forscher haben eine Methode entwickelt, um die Trennung chemischer Isomere durch Kontrolle der molekularen Diffusion zu verbessern. Mithilfe eines dünnen Metall-organischen Gerüstfilms nutzten sie dynamische chemische Wechselwirkungen, um die Porendynamik anzupassen und die Präferenzen der Isomerdiffusion umzukehren. Ihre Arbeit ist veröffentlicht In Naturkommunikation.
Chemische Trenntechnologien (Gas, Kohlenwasserstoffe, Isotope, Isomere) sind für unser tägliches Leben von wesentlicher Bedeutung. Weltweit gibt es fortlaufende Bemühungen, Trenn- und Reinigungsprozesse mithilfe chemischer Verfahrenstechniken und neuer Materialien zu vereinfachen.
Poröse Materialien, die als Membranen fungieren, können diese Trennungen mit minimalem Energieaufwand und einem reduzierten CO2-Fußabdruck erreichen, was den Prozess sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch nachhaltig macht.
Allerdings bleibt die Verbesserung der Effizienz eine Herausforderung. Um dies zu erreichen, ist ein tieferes Verständnis und eine bessere Kontrolle der molekularen Wechselwirkungen und Diffusionsprozesse (Bewegung von Molekülen in den Poren) erforderlich.
Ein Forschungsteam am Tata Institute of Fundamental Research in Hyderabad unter der Leitung von Ritesh Haldar hat eine Strategie entwickelt, um die Kontrolle über den chemischen Diffusionsprozess zu verbessern.
Isomere sind Moleküle mit gleicher chemischer Zusammensetzung, aber unterschiedlicher Geometrie und infolgedessen unterschiedlicher chemischer Eigenschaften.
Die Trennung chemischer Isomere erfordert eine genaue Kontrolle der Porengröße und der chemischen Funktionalitäten. Die winzigen Abmessungen der Moleküle erfordern Poren mit Abmessungen von 10–10 m. Da sich die Größe der Isomere geringfügig unterscheidet, manchmal in der Größenordnung von einigen Angström, ist die Entwicklung eines Molekularsiebs, das Isomere effektiv anhand ihrer Größe trennen kann, eine Herausforderung.
Um ein kontrolliertes Diffusionsexperiment durchzuführen, haben Forscher ein nanoporöses geordnetes Material verwendet, das als metallorganisches Gerüst bekannt ist.
Mithilfe einer Kombination aus Experiment und molekularer Simulation könnten die Forscher eine neue chemische Strategie, dynamische chemische Wechselwirkung, entwickeln, mit der die Diffusion chemischer Isomere fein abgestimmt werden kann.
Bei dieser Methode arbeiten die chemische Natur und die Dynamik der engen Poren zusammen. Sie konnten zeigen, dass durch die Umsetzung dieser Strategie die Bevorzugung der Isomerendiffusion sogar umgekehrt werden kann.
Die Forschungsgruppen von Jagannath Mondal und Soumya Ghosh am TIFR Hyderabad sagten voraus, wie chemische Wechselwirkungen und Porendynamik die molekulare Bewegung beeinflussen würden.
Basierend auf ihren Erkenntnissen schuf das Team von Ritesh Haldar ein ideales poröses Material, um diese einzigartige dynamische Wechselwirkung zu demonstrieren. Mit ihrer neuen Methode trennten sie erfolgreich aliphatische Halogenisomere und zeigten sogar, dass die Trennpräferenzen bei Bedarf umgekehrt werden können.
Weitere Informationen:
Tanmoy Maity et al., Lenkung der Diffusionsselektivität chemischer Isomere innerhalb ausgerichteter Nanokanäle von dünnen Filmen aus metallorganischem Gerüst, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53207-3