En forskargrupp på Chalmers Tekniska högskola och Yaoundés universitet i Kamerun har upptäckt nya varianter på material i naturen, som hittills enbart tillverkats i laboratorium. I en ny studie har rabarbermolekylen oxalsyra och dess förmåga att binda åt olika håll, visat sig kunna spela en intressant roll. Forskningen publiceras i tidskriften CrystEngComm som ges ut av Royal Society of Chemistry.
– Det är fascinerande hur vi i naturen upptäcker varianter på material som vi har arbetat med i laboratoriet under enbart de senaste tjugo åren och hur vår matematiska beskrivning av dem är på en gång informativ och vacker, säger Dr. Françoise Noa, postdoktor på Chalmers Tekniska Högskola
Banar väg att förstå och framställa nya material
Forskargruppen har undersökt publicerade kristallstrukturer av ett stort antal kemiska föreningar mellan metalljoner och oxalatjoner och systematiserat dessa. Basen för materialen, är tvehövdade karboxylsyror som kan binda en metalljon i varje ända och på så sätt bygga upp nätverksstrukturer. Den enklaste av dessa karboxylsyror, oxalsyra, finns i rabarber. När oxalsyran, HOOC-COOH, tappar två vätejoner och blir oxalatjonen, -OOC-COO- kan den istället binda metalljoner i varje ända och bilda dessa nätverk eftersom flera oxalatjoner får plats kring varje metalljon.
– Den nätverksbildande funktionen oxalatjonen får genom att både vara bra på att binda till sig enskilda metalljoner genom att använda två syreatomer på en gång, och samtidigt kunna göra detta i två riktningar, är tekniskt mycket viktig, säger professor Lars Öhrström, Institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola och medförfattare till studien.
Materialen beskrivs i form av symmetriskt och periodiskt upprepade nätverk med metalljonen i knytpunkterna. En enkel variant på detta i två dimensioner är ett vanligt rutmönster. Just rutmönster hittade man dock inte i dessa oxalatmaterial. Däremot fann forskarna fyra helt nya tredimensionella nätverk, som kan bana väg att förstå och framställa nya material.
Viktiga tillämpningar i annan forskning
Forskningen som rör metallorganiska ramverksföreningar (MOF:s på engelska) har en mängd möjliga tillämpningar, alltifrån läkemedelsdosering till biogaslagring - flera material har redan kommersialiserats. Dessutom upptäckte man att en komponent i njurstenar, weddellit, är en metallorganisk ramverksförening mellan kalciumjoner och oxalatjoner. Nätverken i weddellit har vattenfyllda kanaler, och vattenmolekylernas interaktioner med nätverket har visat sig ha viktiga tillämpningar i annan forskning. Vid University of California – Berkeley har forskare optimerat den här interaktionen och därmed utvecklat en metod för att utvinna vatten ur ökenluft med hjälp av en annan metallorganisk ramverksförening. Professor Omar Yaghi på Berkeley kommenterar Chalmers- och Yaoundéforskarnas arbete med att - det är en viktig del för att lära oss om grammatiken och taxonomin för metallorganiska ramverksföreningar, hur de är uppbyggda och hur de kan konstrueras.
Fakta oxalsyra
Oxalsyra finns i en mängd växter och är uppkallad från det vetenskapliga namnet för harsyra, Oxalis acetosella. Det är en relativt stark syra och dess salter, det vill säga föreningar där den avgett två vätejoner, kallas oxalater. Oxalsyra och oxalater har många praktiska användningar, flera av dessa relaterad till dess förmåga att med en ”kniptångsmanöver” binda metalljoner till två eller flera av syreatomerna.
Fakta Metallorganiska ramverksföreningar
Material där metalljoner bryggas av organiska molekyler och bildar nätverksstrukturer, ofta med relativt stora kanaler och hålrum. Kallas på engelska Metal-Organic Frameworks och förkortas MOF eller ”moffar” på svenska. Det kommersiella tillämpningar som finns idag bygger på materialens förmåga att adsorbera och lagra gaser. En kommande intressant användning är att utvinna vatten ur luft från även mycket torra klimat.
Läs mer:
Natural and Synthetic Metal Oxalates – a Topology Approach
Länk till Berkeley News artikel om Omar Yaghis”water harvesting” project.
Länk till populärvetenskapliga boken ”The Rhubarb Connection”
- Studierektor, Kemi och kemiteknik