既存の方法では入手できない材料は、固体のナノ構造シリカ溶媒を使用して製造できます。 クラクフにあるポーランド科学アカデミーの核物理学研究所の科学者たちは、独特の物理的および化学的特性を持つ物質の生産に対する革新的なアプローチを発表しました。

クラクフ（ポーランド）の物理学者チームは、独自の光学的、磁気的、構造的特性を備えた材料を製造するための、固体のXNUMX次元シリカ溶媒を製造するための柔軟な方法の開発に成功しました。 ここでの「固体溶媒」という用語は、適切な分子の溶液に浸漬されると、厳密に定義された比率で定義された方法でそれらをその表面に結合する物質を意味します。 この成果は、クラクフにあるポーランド科学アカデミー（IFJ PAN）の核物理学研究所のLukaszLaskowski博士が率いるチームの仕事です。 チームの長年の作業の結果は、 国際分子科学ジャーナル.

新しい材料は、シリカやカーボンなどの適切な基板上に特定の原子や化学分子を堆積させることによって生成されることがよくあります。 ただし、ここでの問題は、分子の堆積方法を制御することです。 簡単な例を使えば、難しさは簡単に理解できます。 ゴムボールを取り、接着剤でコーティングし、いくつかの羽に投げます。 ボールを取り出すと、表面のある場所よりも羽が多い場所があります。 この状況の理由は、個々の羽がボールにどのように付着するかを制御できないという事実です。

「分子工学では、状況はさらに複雑です」とLaskowski博士は言い、問題を提示します。「何年にもわたる研究の結果、ゴムボールに付着した羽の間の距離を制御する方法をうまく見つけたとしましょう。 突然、羽ではなくガラスビーズに固執する必要が生じた場合はどうなるでしょうか。 おそらく接着剤を交換する必要があります。 接着剤と接着された要素を変更することは、貼り付けられている要素間の距離を制御するために新しい方法を考案する必要があることを意味します。 繰り返しになりますが、これには数年の研究が必要であり、必ずしも成功するとは限りません。」

ポーランド国立科学センターから資金提供を受けたクラクフの物理学者は、上記の問題を次のように解決することを決定しました。 キャリア上にあらゆる種類の異なるイオンまたは粒子を均一に堆積させる新しい方法の連続的な検索に苦労する代わりに、彼らは、アンカーユニットでシリカ基板をコーティングするXNUMXつの方法を開発しました。 ここで、各分子アンカーは一方の側で基板に結合され、もう一方の側は環境から特定のタイプのイオンまたは分子を捕捉できます。 特に重要なのは、この方法により、キャリアの表面上のアンカーの分布密度を統計的に制御できることです。 したがって、新しい材料を設計する問題は根本的に単純化されました。 現在、その最も重要な点は、一方の端が現在必要なイオンまたは分子を引き付けるアンカーの比較的単純で迅速な開発です。

「私たちの方法では、固体溶媒の重要な役割はシリカナノ構造によって果たされます。 形成されるとすぐに、現在のニーズに厳密に調整された密度のアンカーユニットの規則的なグリッドで覆われるような条件で製造します」とMagdalena Laskowska博士（IFJ PAN）は説明します。

シリカ溶媒を生成する段階で存在するアンカー間の距離を統計的に制御する機能により、科学者はシリカ粒子の表面に結合した物質の量を正確に選択できます。 同時に、アンカーによってトラップされた分子の相互作用、さらにはそれらの配向の制御を維持することが可能になります。

「新しい材料を製造するための従来のプロセスでは、特定の化合物の分子が、分子構造が変化するような方法で表面に堆積する可能性があります。 その後、分子はしばしばその特性を失い、事実上役に立たなくなります。 これは、分子がその物理的または化学的特性を決定するフラグメントを使用して基板に結合するときに発生します。 しかし、これらの手に負えない分子を取り、結合後も分子がまだ活性領域を持ち、元の機能を保持するように、固体溶媒上のアンカーの数を圧縮することができます」と博士号は説明します。 学生OleksandrPastukh（IFJPAN）。

適切に調製されたシリカ溶媒をターゲットイオン/粒子を含む溶液に浸すと、その表面のアンカーがそれらを捕捉して結合し、想定される分子構造の形成に自然につながります。 新しく形成された材料は、ろ過し、溶剤で洗浄して汚れを取り除き、乾燥させるだけです。

アンカー分布を正確に制御して固体溶媒を製造する技術を習得することで、IFJPANの研究者は材料の設計と合成の従来のプロセスを逆転させることができました。 クラクフの研究者は、すでに製造された材料を調べてその用途を見つける代わりに、まずオプトエレクトロニクスやフォトニクスなどの現在のニーズについて学び、次にこれらを念頭に置いて、材料の特性を設計し、分子構造を決定し、最後に合成します。まさに必要な特性を備えた物質。 合成中、重要な役割を果たすことが多いのは固体溶媒であり、これにより、反応に関与する分子間の比率を非常に正確に制御することができます。

「材料が製造されたら、実際の物理的および化学的特性を必要なものと比較するためにテストします。 不一致がある場合は、パラメーターを少し変更して合成を繰り返します。 それでも問題が解決しない場合は、分子設計の段階で調整を行います」と博士課程の学生であるAndrii Fedrochuk（IFJ PAN）は詳しく説明しています。

ナノ構造のシリカ溶媒を使用する方法は、たとえば、光のXNUMX次またはXNUMX次高調波成分が正確に調整された、独自の非線形光学特性を持つ材料を製造できる可能性があるため、特に興味深いものです（つまり、材料を離れる光波は材料に入射する波に関連してXNUMX倍またはXNUMX倍の周波数）。 医学の分野でも興味深いアプリケーションが開かれています。 歯科用充填物や塗料に添加したときに分子が強力な殺生物特性を保持できるようにする新しい材料を開発することが可能になりつつあります。

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Henryk Niewodniczanski原子力物理学研究所（IFJ PAN）は、現在、ポーランド科学アカデミーの最大の研究機関の600つです。 IFJ PANで実施されている幅広い研究は、素粒子物理学や天体物理学から、ハドロン物理学、高エネルギー、中エネルギー、低エネルギーの原子核物理学、凝縮物質物理学（材料工学を含む）、さまざまなものまで、基礎研究と応用研究をカバーしています。医学物理学、線量測定、放射線および環境生物学、環境保護、およびその他の関連分野をカバーする、学際的研究における核物理学の応用。 IFJ PANの年間平均出版物出力には、影響力の大きい国際ジャーナルに20を超える科学論文が含まれています。 毎年、研究所は約2012の国際および国内科学会議を主催しています。 研究所の最も重要な施設の2017つは、中央ヨーロッパでユニークなインフラストラクチャであるサイクロトロンセンターブロノビツェ（CCB）であり、医学および核物理学の分野で臨床および研究センターとして機能します。 さらに、IFJPANは2017つの認定された研究および測定研究所を運営しています。 IFJ PANは、マリアン・スモルコフスキー・クラクフ研究コンソーシアム「物質-エネルギー-未来」のメンバーであり、XNUMX年からXNUMX年にかけて、物理学の主要な国立研究センター（KNOW）の地位を享受しました。 XNUMX年、欧州委員会は研究所にHR Excellence inResearch賞を授与しました。 研究所は、科学と工学の分野でA +カテゴリー（ポーランドで最も高い科学カテゴリー）を保持しています。

ルカシュ・ラスコウスキー博士

ポーランド科学アカデミー核物理学研究所

電話：+48 12 6628260、6628217、6628263

メール：lukasz.laskowski@ifj.edu.pl

マグダレナ・ラスコフスカ博士

ポーランド科学アカデミー核物理学研究所

電話：+48 12 6628390

メール：magdalena.laskowska@ifj.edu.pl

「アンカーユニットを備えたナノ構造シリカ：分子および金属イオン用の2D固体溶媒」
M. Laskowska、O。Pastukh、A。Fedorchuk、M。Schabikowski、P。Kowalczyk、M。Zalasinski、L。Laskowski
国際分子科学ジャーナル 21（21）、8137、2020
DOI：https：//doi。org /10.3390 /ijms21218137

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ポーランド科学アカデミー核物理学研究所のプレスリリース。

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固体溶媒を使用した新素材の合成。 均一に分布したアンカーのシステムで覆われた基板を、目的の原子または分子を含む溶液に浸し、アンカーによって溶液から捕捉します。 （出典：IFJ PAN）

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分子アンカーで覆われたさまざまな形態の固体シリカ溶媒の顕微鏡画像。 上：球状多孔質シリカ粒子（MCM-41）、下：SBA-15メソポーラスシリカ。 偽色。 （出典：IFJ PAN）