Τα πορώδη υγρά συνδυάζουν τις μόνιμες κοιλότητες σε νανοκλίμακα με τη ρευστότητα, προσφέροντας σημαντικές προοπτικές για εφαρμογές όπως η δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα και ο διαχωρισμός αερίων.
Ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Κιότο ανέπτυξε μια μοριακή στρατηγική που επιτρέπει τη ρύθμιση του ιξώδους ενός πορώδους υγρού τύπου Ι κατά περισσότερες από οκτώ τάξεις μεγέθους, διατηρώντας παράλληλα το εγγενές του πορώδες. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Journal of the American Chemical Society.
Ο μηχανισμός ρύθμισης της ροής
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν οκτάεδρα μεταλλο-οργανικά πολυέδρα (MOPs) με βάση το ρόδιο, στα οποία προσαρμόστηκαν 12 ευέλικτες αλυσίδες πολυαιθυλενογλυκόλης (PEG). Διατηρώντας σταθερό το μέγεθος της κοιλότητας και το μήκος των αλυσίδων, η ομάδα διαφοροποίησε μόνο τις λειτουργικές ομάδες στην επιφάνεια των MOPs.
Οι μετρήσεις και οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι η χημεία της επιφάνειας καθορίζει τη διαμόρφωση των πολυμερών. Οι δωδεκυλοξυ-ομάδες προσελκύουν τα υδρόφοβα άκρα των αλυσίδων, προκαλώντας την αναδίπλωσή τους γύρω από την επιφάνεια του MOP. Αυτή η συμπαγής δομή επιτρέπει στα μόρια να γλιστρούν εύκολα μεταξύ τους, μειώνοντας το ιξώδες. Αντίθετα, οι υδροξυλομάδες επιτρέπουν στις αλυσίδες να εκτείνονται προς τα γειτονικά MOPs, δημιουργώντας ένα πλέγμα που προκαλεί ισχυρή αντίσταση στη ροή.
Στους 60°C, το ιξώδες μηδενικής διάτμησης κυμάνθηκε από 18 Pa·s έως 3 δισεκατομμύρια Pa·s, καλύπτοντας μια διακύμανση της τάξης του 170 εκατομμυρίων.
Θερμοκρασιακές μοριακές πύλες
Οι μετρήσεις προσρόφησης διοξειδίου του άνθρακα έδειξαν ότι τα υγρά διατήρησαν προσβάσιμες τις κοιλότητές τους. Στα υγρά με δωδεκυλοξυ-ομάδες, το στρώμα του πολυμερούς λειτούργησε ως θερμοευαίσθητη μοριακή πύλη: στις χαμηλές θερμοκρασίες η περιορισμένη κινητικότητα των αλυσίδων εμπόδιζε την είσοδο, ενώ η θέρμανση αύξανε την κινητικότητα επιτρέποντας την πρόσβαση στο αέριο. Αντίθετα, η παρουσία υδροξυλομάδων κρατούσε τις αλυσίδες σε εκτεταμένη μορφή, διατηρώντας την πύλη ανοιχτή ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Η δυνατότητα ανεξάρτητης ρύθμισης του ιξώδους και του όγκου των πόρων επιτρέπει τον σχεδιασμό υγρών χαμηλού ιξώδους για συστήματα κυκλοφορίας αερίων, αλλά και υγρών υψηλού ιξώδους για χρήση σε μεμβράνες διαχωρισμού.
