要約:
材料科学の分野では、ガラスはその独特な不規則な原子構造と幅広い日常用途および産業用途により大きな注目を集めています。しかし、超高温処理中の制御不能性により、新しい機能性ガラスの開発は長い間制限されてきました。英国バーミンガム大学とドイツのドルトムント工科大学（TU Dortmund University）の国際共同科学研究チームが画期的な進歩を遂げた。研究者らは、何千年にもわたって伝統的なケイ酸塩ガラスの製造に使用されてきた古代の化学戦略を巧みに活用し、溶融プロセス中の有機金属フレームワーク（MOF）ガラスの内部原子構造の正確な再構成と化学的制御に成功し、この種の最先端の材料に新たな物理的特性と加工上の利点を与えました。
金属イオンと有機配位子を深く結合する新しい無機-有機ハイブリッド材料として、MOF ガラス (ZIF-62 など) は独特の微多孔構造を持ち、二酸化炭素回収、水素貯蔵、海水淡水化、高度な膜分離の分野で大きな応用可能性を示しています。ただし、従来の MOF ガラスは、軟化させて溶かすために 300°C を超える高温に加熱する必要があることがよくあります。この温度は材料自体の熱分解限界に非常に近いため、大規模な工業的加工や成形の難易度が大幅に高まるだけでなく、重要な細孔構造も簡単に破壊されてしまいます。
この加工のボトルネックを打破するために、科学研究チームは古代のガラス改質技術に注目しました。伝統的なガラス産業では、通常、作業者は融点と粘度を下げるために、珪砂にナトリウムやリチウムなどの少量のアルカリ金属化合物を加えます。研究者らは、このロジックをMOFガラスの分野に応用し、ZIF-62の溶融プロセス中に微量のナトリウムまたはリチウム化合物を導入することにより、材料の内部原子結合ネットワークへの効率的な介入を達成することに成功した。
この化学修飾プロセスを原子スケールで明らかにするために、研究チームは英国国立高磁場固体核磁気共鳴（NMR）施設を使用して高温固体NMR分光実験を実施し、人工知能に基づく機械学習計算モデリングと組み合わせて、添加剤とガラスネットワーク間の相互作用をリアルタイムで観察しました。データは、添加されたナトリウムイオンが材料内部の細孔を満たすだけでなく、一部の亜鉛原子を直接置換し、局所的に解離して元の緊密な格子ネットワークを再構築することを示しています。この微細構造の再組織化により、材料の軟化温度が大幅に低下し、溶融状態での流動性が大幅に向上すると同時に、材料の元の細孔特性が最大限に維持されます。
業界の専門家は、この研究が伝統的なケイ酸塩ガラスの改質原理が最新の複雑な金属有機ハイブリッド材料に完全に適用できることを証明することに成功したと指摘しました。溶融状態の MOF ガラスの化学構造と原子構造を正確に書き換えることで、研究者らはこの種の高性能材料の製造エネルギー消費量とプロセス閾値を削減しただけでなく、特定のガス吸着、触媒作用、および高度に選択的な分離機能を備えた新しい次世代エンジニアリングガラスの将来の開発に向けた幅広い科学的道を切り開きました。
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