剛性有機籠分子和龐大溶劑的結合使研究人員能夠製造出具有永久孔隙率的液體。這種新型多孔材料結合了液體的優勢和固體吸附劑框架的優勢，可能在催化或碳捕獲等重要領域找到應用。
多孔固體，如沸石或金屬有機骨架（MOF），常用於各種化學過程中。這些材料結構剛性，含有規則尺寸和形狀的永久空腔。相比之下，傳統液體中的“孔隙率”僅限於其分子之間定義不明確且瞬時的空腔。儘管用途廣泛，但沸石和MOF的固體性質在某些領域可能會造成限制，因此結合了流動性和永久孔隙率的材料具有重要的技術意義。
一個由英國、法國、德國和阿根廷的科學家組成的國際團隊現在已經能夠設計和製備出使用剛性有機籠分子的“永久多孔液體”。這些籠子的優勢在於，它們可以在不破壞任何化學鍵的情況下溶解在另一種材料中，從而充當可溶性多孔單元。作者指出，他們的多孔分子液體與含有空心膠體二氧化矽球的多孔高分子液體有著根本的不同。“我們採用了這些籠狀分子，其內部有一個空的空間，可以透過小視窗進入，並將它們以非常高的濃度溶解在溶劑中，溶劑分子太大，無法穿過視窗，”主要作者、英國貝爾法斯特女王大學無機化學主席斯圖爾特·詹姆斯解釋道。“這樣，我們就創造出一種內部漂浮著空孔的液體。”
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作者首先將籠分子溶解在由冠醚組成的液體中——冠醚是含有多個醚亞基的環狀化學單元。為了在龐大的溶劑中實現高溶解度，該團隊用六個冠醚基團對每個籠進行功能化。透過這種方法，他們能夠獲得濃縮的液相，儘管籠的濃度很高，但它在室溫下流動。
捕獲的氣體
德國海德堡大學魯普雷希特-卡爾大學有機化學教授邁克爾·馬斯特勒茲說：“詹姆斯及其同事的工作很重要，因為它首次表明液體可以具有永久的孔隙率。”他解釋說，製造這種液體的挑戰在於設計一種本身就是液體，或者高度溶於不能滲透分子孔的溶劑的分子。“這並非易事，”他說。“通常，使用長鏈或支鏈烷基來增加溶解度或降低較大分子的熔點，但線性烷基鏈可以滲透到相鄰分子的空腔中，導致液體不具有孔隙率。詹姆斯等人使用了一個巧妙的技巧來解決這個問題：他們將多孔的冠醚修飾分子與冠醚結合起來。”
研究人員透過結合分子動力學模擬和正電子湮滅壽命光譜（一種常用於研究固體中的空隙和缺陷的技術）對新材料進行了表徵，發現多孔液體可以溶解異常大量的氣體。詹姆斯說：“甲烷等小氣體分子能夠穿過視窗進入孔隙，因此我們看到的是，孔隙大大增加了這種氣體的溶解度。”該團隊證明，帶有小外圍基團的籠子也可以用於製造多孔液體。這是透過從市售試劑的混合物中製造“打亂的”籠子來實現的。在這兩種情況下，秘訣都是避免可能滲透到分子籠腔中的官能團。
但是，根據馬斯特勒茲的說法，多孔液體中的表面積和氣體總吸收量仍然遠低於大多數沸石和MOF。“目前，這種材料無法與這些固體競爭，”他說，並補充說，永久多孔液體應該被視為一類新物質的原型。“儘管如此，這種材料具有許多優點，因為它是一種流體，例如可以透過管道和管子泵送。這可能在未來用於氣體分離或運輸等技術應用。”