От одной и той же супрамолекулярной решётки к разным типам пористых жидкостей через трансформацию in-situ

Жидкости с крошечными скрытыми полостями

Представьте себе жидкость, которая течёт как масло, но в которой спрятаны бесчисленные крошечные пустые «комнаты». Такие «пористые жидкости» способны поглощать газы, например углекислый газ, гораздо эффективнее обычных жидкостей, что открывает новые возможности для снижения выбросов парниковых газов и более эффективного хранения химических веществ. В этом исследовании показано, как из одного и того же исходного материала можно получить два принципиально разных типа таких необычных жидкостей просто изменяя окружающую «солёную» среду.

Строительные блоки, которые «щелкают» друг с другом

Исследователи начинают с супрамолекулярной решётки — твёрдого материала, собранного из металло‑органических клеток, которые соединяются подобно трёхмерным пазлам. Каждая клетка представляет собой полый кластер с небольшими треугольными отверстиями, ведущими во внутреннюю полость. Эти клетки связаны в более крупную структуру относительно слабыми ионными связями, аналогичными притяжению зарядов в поваренной соли. Поскольку эти связи легко нарушаются, вся структура может перестроиться при помещении в подходящую жидкую среду.

Две жидкости — два результата

Чтобы контролировать поведение решётки, команда разработала две почти идентичные ионные жидкости на основе гибкой цепочки полиэтиленгликоля. Единственная разница — негативно заряженный партнёр: в одной жидкости присутствуют бромид‑ионы, в другой — более объёмные ионы NTf2. Несмотря на это небольшое отличие, их поведение противоположно. В бромидной жидкости отрицательные заряды растворителя сильно притягивают положительно заряженную решётку, разрывая ионные связи и освобождая отдельные клетки, которые полностью растворяются. Это формирует пористую жидкость «типа II», где изолированные полые клетки плавают в растворе. В NTf2‑жидкости поверхности и растворителя, и решётки положительно заряжены, поэтому они отталкиваются. Решётка остаётся целой, но равномерно диспергируется, образуя пористую жидкость «типа III», где твёрдые частицы взвешены в среде, при этом сохраняются доступные полости.

Как крошечные полости улавливают газ

Эксперименты и компьютерные моделирования подтверждают, что в обеих жидкостях объёмные молекулы растворителя слишком велики, чтобы пролезть через оконца клеток, поэтому внутренние «комнаты» остаются пустыми и готовы принять молекулы газа. Измерения времени жизни позитронов, чувствительные к наномасштабным полостям, показывают, что обе жидкости содержат больше свободного объёма, чем их чистые растворители. Моделирования дополнительно выявляют «внешние полости»: дополнительные зазоры, которые возникают там, где молекулы растворителя упаковываются вокруг каждой клетки. Эти дополнительные карманы действуют как бонусные ячейки для хранения газа. Тип II, где клетки индивидуально отделены и окружены растворителем, образует больше таких внешних полостей, чем тип III, где клетки агрегируют внутри решётки.

Световой выключатель для улавливания углекислого газа

Ключевой нюанс в том, что стены клеток содержат азобензольные фрагменты — молекулы, меняющие форму под действием ультрафиолетового или видимого света. Под УФ‑излучением они изгибаются, слегка уменьшая или изменяя форму полостей; под видимым светом они снова выпрямляются. В типе II, где клетки подвижнее, такое изменение формы особенно эффективно и вызывает большую обратимую разницу в ёмкости по отношению к углекислому газу. При низкой температуре и умеренном давлении бромидная тип II жидкость поглощает более чем вдвое больше CO2, чем её собрат типа III, и значительно больше, чем чистый растворитель. Она также демонстрирует рекордную ёмкость по сравнению со всеми ранее описанными пористыми жидкостями типа II, при этом по‑прежнему предпочтительно захватывая CO2 по отношению к азоту и метану.

Почему это важно для очистки газов

Тонко настраивая электрические взаимодействия между пористой решёткой и окружающей её ионной жидкостью, исследователи продемонстрировали общий рецепт получения очень разных пористых жидкостей из одних и тех же строительных блоков. Один путь даёт растворённые клетки с исключительной газовой ёмкостью и сильным, управляемым светом контролем; другой сохраняет протяжённую решётку с более скромными, но всё же улучшенными характеристиками. Такой подход может помочь инженерам разрабатывать настраиваемые, переключаемые жидкости для улавливания углекислого газа из смешанных газовых потоков и для других разделений, сочетая удобство обработки жидкостей с хранящей мощностью пористых твёрдых веществ.

Цитирование: Liu, Y., Jin, HY., Li, MM. et al. From the same supramolecular framework to distinct types of porous liquids via in-situ transformation. Nat Commun 17, 3072 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69837-8

Ключевые слова: пористые жидкости, поглощение углекислого газа, ионные жидкости, газоразделение, фотореактивные материалы