MOF和分子筛

克里斯-现在有请来自西北大学的乔·赫普。你好,乔。这些飞蛾是什么，它们的结构是什么如果你用一个非常强大的显微镜放大看它们，它们会是什么样子?

角上的金属原子或离子，然后是由有机分子制成的刚性柱。它们的每一组都定义了一个笼子，但这个笼子是永远存在的，它们的一个重要特性是它们不仅仅是孤立的笼子，它们是结晶材料。如果你放大看其中一个笼子，你会看到一个隧道一直延伸下去，一直都是同样大小的笼子。

Chris -所以它就像孩子们的积木，但中间有一个洞，你可以把它们连接在一起，做成巨大的容器，但在分子水平上。

乔:没错。这些材料的表面积非常大。最大的每克超过6000平方米。它们是许多已知晶体材料中密度最低的。它们有巨大的内部空间。有些地方80%以上是空的，所以这些微小的墙壁定义了很多微小的空间。重要的是空间大小取决于分子的大小。这使得它们能够储存像氢或甲烷这样的分子作为燃料，或者像你提到的，从混合物中抽出一些分子。

克里斯-我只是想补充一些观点，6000平方米和一个足球场一样大，所以每克是不可思议的。当你说你实际上是在角落里用金属原子做这些东西的时候如果我们想象一个立方体它是最简单的结构和功能单元你在立方体的角落里有一个金属原子它们通过这些有机连接剂连接起来。你是怎么做这些东西的?

乔:嗯，它们其实很容易做。只是很难把它们做好。你只需把它们，那些对金属离子有粘性的碎片，在混合物中煮上四五天。如果一切顺利，你会得到晶体。我们通常做的是尝试三到四百组条件，其中一些是有效的。目前这是一门非常实证的科学。

克里斯，这些东西你能做多少?我们讨论的是每克的量还是一个可以容纳一定量分子的合理量?

乔:在实验室里，我们正在为特定的目的设计和研究这些药物，所以我们只需要几十或几百毫克。巴斯夫是世界上最大的化学公司，它已经证明，使用合适的材料很容易生产出公斤数量的这种化学物质。事实上，他们已经在欧洲各地开了一辆示范车，油箱里装满了甲烷。储存甲烷的是这些小洞吗?

克里斯:你能给我们解释一下这些小洞是如何储存甲烷的吗?为什么使用像这样的复杂晶体比在汽车后座放一大桶汽油更好呢?

乔:嗯，首先，我认为你或我都不会想要开一辆后面装有不锈钢气缸以防碰撞的车。如果甲烷储存在一个比甲烷本身大不了多少的容器里，会安全得多。事实证明，为了粘在物质上，它必须非常靠近它。在不锈钢容器中，大多数分子都不会碰到容器壁。最好是有小通道，让分子附着在上面。

克里斯，你能告诉我们吗，因为我提到的一件事，你可以从烟道和排气管中清除气体。你能制造出一种分子，它的空腔具有足够的化学活性，可以抓住一种你不想进入大气的化学物质或废气，让危害较小的物质通过吗?一种分子筛，如果你喜欢的话。

乔:有很多有趣的研究，比如，从甲烷中提取二氧化碳。美国的一家公司，Innovene化学公司，每年花费5亿美元在冰箱上。他们将二氧化碳压缩成液体，从天然气中提取二氧化碳，他们每年花5亿美元在这上面的原因是他们可以把天然气的价格每年提高5亿多美元。这是非常能源密集的，他们更希望有一种材料，它可以抓住所有的二氧化碳，留下天然气，甲烷。