Une équipe de chimistes d'UConn a découvert une nouvelle façon de fabriquer une classe de matériaux poreux qui permet de meilleurs contrôles de fabrication et a des applications beaucoup plus larges que la norme industrielle de longue date.

Le processus, plus de trois ans dans la fabrication et décrit dans l'édition de décembre 2013 de Communication Nature , a abouti à la création de plus de 60 nouvelles familles de matériaux à ce jour, avec le potentiel pour bien d'autres. Le catalyseur clé du processus est recyclable, ce qui en fait une technologie « verte ».

Quatre demandes de brevet liées à la découverte sont en instance. VeruTEK, une entreprise d'innovations chimiques basée à South Windsor, Connecticut., a obtenu des droits sur certains des matériaux.

"C'est certainement le projet le plus excitant auquel j'ai participé au cours des 30 dernières années, " déclare le professeur distingué du conseil d'administration Steven L. Suib, le chercheur principal du projet. "Ce que nous avons fait est similaire à la découverte d'un nouvel insecte, seulement maintenant il y a une série de familles de ces choses qui peuvent être découvertes. C'est plutôt cool."

La recherche est le premier travail majeur à sortir du nouveau centre d'excellence GEMS de l'Université. Le centre, qui tire son nom de l'acronyme Green Emulsions, Micelles et Tensioactifs, est situé dans le département de chimie du Collège des arts libéraux et des sciences.

Les recherches de Suib portent sur la création d'uniformes, ou monomodale, les oxydes de métaux mésoporeux utilisant des métaux de transition tels que le manganèse, cobalt, et fer. Mésoporeux décrit la taille des pores du matériau. Dans ce cas, ils ont un diamètre compris entre 2 et 50 nanomètres et sont uniformément répartis sur la surface du matériau, semblable à ce que l'on pourrait voir si une épingle est utilisée pour percer de nombreux trous dans un matériau. Seul le procédé UConn permet aux scientifiques d'utiliser la chimie de l'oxyde nitrique pour modifier le diamètre de la « broche, " afin de modifier la taille des trous. Cette approche unique permet de contenir les réactions chimiques et offre un contrôle et une flexibilité sans précédent.

"Le professeur Suib et ses collègues rapportent une voie inattendue et nouvelle vers la génération d'oxydes métalliques mésoporeux, " dit Prabir Dutta, éminent professeur universitaire de chimie et de biochimie à l'Ohio State University. "La découverte du professeur Suib et l'extension de la mésoporosité à une gamme beaucoup plus large d'oxydes métalliques vont certainement pousser ce domaine vers de nouveaux sommets, avec toutes sortes d'applications potentielles, faisant de cette étude un développement des plus importants dans la science des matériaux."

Avoir des matériaux avec des pores microscopiques uniformes permet aux molécules ciblées d'une taille particulière de s'écouler dans et hors du matériau, ce qui est important dans des applications telles que l'adsorption, capteurs, optique, magnétique, et les produits énergétiques tels que les catalyseurs trouvés dans les piles à combustible.

« Quand les gens pensent à ces matériaux, ils pensent aux systèmes de verrouillage et de clé, " dit Suib. " Avec certaines enzymes, vous devez avoir des pores d'une certaine taille et forme. Avec ce procédé, vous pouvez maintenant faire un réceptacle pour des protéines ou des enzymes spécifiques afin qu'elles puissent entrer dans les pores et se lier et réagir spécifiquement. C'est l'espoir, être capable de faire un pore qui permettra à de tels matériaux de s'adapter, pour pouvoir faire un pore dont un scientifique a besoin."

Depuis 20 ans, les scientifiques se sont appuyés sur une longue expérience, procédé à base d'eau pour la fabrication de matériaux mésoporeux qui a d'abord été développé par Mobil Oil. Cette procédure, bien que révolutionnaire lors de sa découverte, a des limites. La taille des pores du matériau est difficile à manipuler; les parois des structures mésoporeuses résultantes sont amorphes; et la stabilité du système sous-jacent s'affaiblit lorsqu'il est exposé à une chaleur élevée, limiter son utilisation. Le processus ne fonctionne également mieux qu'avec du silicium ou du titane, contrairement aux autres métaux du tableau périodique.

Les chimistes d'UConn ont pris une autre route, choisir de remplacer le processus à base d'eau par un tensioactif chimique synthétique similaire à un détergent pour créer les mésopores. En réduisant la consommation d'eau, ajouter le tensioactif, puis soumettre les nanoparticules résultantes à la chaleur, l'équipe de recherche a découvert qu'il pouvait générer à contrôle thermique, thermiquement stable, matériaux mésoporeux uniformes à parois cristallines très résistantes. Les mésopores, Suib dit, sont créés par les espaces qui se forment entre les nanoparticules organisées lorsqu'elles se regroupent. L'équipe a découvert que la taille de ces espaces ou pores pouvait être adaptée - augmentée ou diminuée - en ajustant l'exposition de la nanostructure à la chaleur, une avancée majeure dans le processus de synthèse.

"Un tel contrôle de la distribution de la taille des pores, volumes de pores améliorés, et les stabilités thermiques sont sans précédent…, " a écrit l'équipe dans son rapport.

Peut-être tout aussi important, l'équipe a découvert que le processus pouvait être appliqué avec succès à une grande variété d'éléments du tableau périodique. Aussi, le tensioactif utilisé dans la synthèse est recyclable et peut être réutilisé après son extraction sans nuire au produit final.

Conscient de l'importance de ses conclusions, L'équipe de Suib a délibérément attendu pour publier son rapport jusqu'à ce qu'elle ait vérifié différentes applications en utilisant une variété d'éléments périodiques. Même maintenant, l'équipe pense qu'elle n'a fait qu'effleurer la surface.

« Nous avons développé plus de 60 familles de matériaux, " dit Suib. "Pour chaque matériau que nous avons fabriqué, vous pouvez en faire des dizaines d'autres. Vous pouvez les doper en ajoutant de petites quantités d'impuretés. Vous pouvez modifier leurs propriétés. Vous pouvez faire des sulfures en plus des oxydes. Il y a beaucoup plus de recherches à faire."

La recherche de l'UConn a été financée par la division des sciences fondamentales de l'énergie du département de l'Énergie des États-Unis au moyen d'un montant de 420 $, 000 bourses sur trois ans. Suib dit un membre particulier de l'équipe de recherche, Altug S. Poyraz, un étudiant diplômé « énormement talentueux » poursuivant son doctorat à l'UConn, a contribué à la réussite du projet. Poyraz a passé d'innombrables semaines à explorer patiemment différentes approches du processus jusqu'à ce que l'équipe trouve le succès.

"C'est vraiment un étudiant diplômé unique et probablement le meilleur chimiste synthétique que j'ai jamais vu, " dit Suib, qui est également directeur de l'Institute of Materials Science d'UConn.

Suib pense que le processus sera attrayant pour l'industrie car il est simple, rentable, et vert.