جامعة غراتس للتكنولوجيا تفك لغز بنية أغشية MOF

أخبار ar.wedoany.com، أثبت باحثون في جامعة غراتس للتكنولوجيا (TU Graz) أن أغشية الأطر المعدنية العضوية (MOF) تمتلك بنية مختلفة تماماً عما كان مفترضاً سابقاً. وقد دحضت هذه الدراسة، التي أجريت على أغشية نحاس-تيريفثالات النحاس (Cu(bdc))، النموذج الهيكلي المقبول على نطاق واسع سابقاً.

نظراً لمساميتها العالية، تُعتبر الأطر المعدنية العضوية (MOF) مواد واعدة للتطبيقات المبتكرة مثل تخزين الغازات، أو احتجاز ثاني أكسيد الكربون، أو التوصيل الموجه للأدوية، وقد حصل اكتشافها على جائزة نوبل في الكيمياء عام 2025. من السهل نسبياً تحديد بنية الأطر المعدنية العضوية في شكلها البلوري الأحادي، لكن بنيتها في الأغشية لا تزال لغزاً كبيراً، حيث تحدد البنية خصائص المواد وتطبيقاتها المحتملة.

نشر فريق بقيادة رولاند ريزل وإيغبرت زوير من معهد الفيزياء الصلبة في جامعة غراتس للتكنولوجيا، بالتعاون مع باولو فالكارو وزملائه من معهد الكيمياء الفيزيائية، وكريستوف فول من معهد كارلسروه للتكنولوجيا (Karlsruher Institut für Technologie)، بحثاً في مجلة "المواد الوظيفية المتقدمة" (Advanced Functional Materials). أظهر الباحثون، باستخدام أغشية Cu(bdc) كمثال، أن جميع النماذج الهيكلية المقترحة سابقاً غير صحيحة، وحددوا بنية قادرة على تفسير جميع الخصائص المرصودة: أغشية Cu(bdc) ليست مسامية في الواقع، بل هي متراصة بكثافة وتحتوي على مجموعات هيدروكسيل إضافية كانت مفقودة في معظم النماذج السابقة.

وقال إيغبرت زوير: "تشير نتائجنا إلى أن العديد من النماذج الهيكلية المنشورة لأغشية MOF غير صحيحة وتحتاج إلى إعادة تقييم". ينبع هذا التقدم من الجمع بين المحاكاة الميكانيكية الكمومية المعقدة وطريقة حيود الأشعة السينية الدوارة الساقطة بزاوية منخفضة (rotating-GIXD) المطبقة في منشأة إيليترا السنكروترونية للإشعاع في ترييستي. على عكس الطرق التقليدية، توفر طريقة rotating-GIXD صورة شبه كاملة للدورة البلورية، مما مكن الفريق من استنتاج البنية الذرية لأغشية Cu(bdc). من خلال الجمع بين المحاكاة الميكانيكية الكمومية وكثافة الغشاء المقاسة بطريقة انعكاس الأشعة السينية، استبعد الباحثون عدداً كبيراً من الهياكل المقترحة في الأدبيات السابقة، وكشفوا عن الهوية الحقيقية للغشاء من خلال المحاكاة.

تشرح البنية غير المسامية التي تم تحديدها الآن سبب عدم قدرة الغشاء تقريباً على تحميل الجزيئات الضيفة، وسبب استقراره العالي بشكل استثنائي تجاه الماء، وسبب امتلاكه لخصائص مغناطيسية مستحيلة في الهياكل المفترضة سابقاً. تؤكد هذه البنية أيضاً حالتها الأساسية المغناطيسية الحديدية، مما يحول إمكانات تطبيقها نحو الظواهر الفيزيائية التي قد تكون ذات صلة في أجهزة الاستشعار، أو الإلكترونيات الدقيقة، أو أنظمة التخزين المغناطيسية. علاوة على ذلك، تحتوي البنية على طبقات أكسيد النحاس المشابهة لتلك الموجودة في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، وقد تشكل التطبيقات المحتملة الناشئة عن ذلك أساساً لمزيد من البحث.

وأشار إيغبرت زوير إلى أنه "من خلال عملنا، أثبتنا أنه لا يمكن تحديد بنية أغشية MOF بشكل موثوق إلا من خلال الجمع بين طرق الحيود الحديثة والنمذجة النظرية". وأضاف: "طريقة الحيود التي طورها فريق رولاند ريزل، بالإضافة إلى البرمجيات المطورة في جامعة غراتس للتكنولوجيا لتحليل بيانات السنكروترون، وفرت أدوات مهمة لذلك. وهذا يضع الأساس لتوضيح بنية أغشية MOF الأخرى في المستقبل، ومن ثم استخدامها بشكل موجه في تطبيقات جديدة في أجهزة الاستشعار والإلكترونيات الدقيقة".