Một nhóm nghiên cứu quốc tế do các nhà khoa học từ Viện Ruđer Bošković (IRB) của Croatia dẫn đầu đã chứng minh rằng việc kiểm soát cấu trúc bên trong của các vật liệu xốp tiên tiến có thể cung cấp một phương pháp đơn giản và tiết kiệm để sản xuất các vật liệu thu giữ carbon dioxide, tinh chế nhiên liệu và tách các hóa chất hữu ích từ hỗn hợp phức tạp.

Vật liệu xốp thường được mô tả như những bộ lọc phân tử có độ chính xác cao. Kích thước và sự sắp xếp của các lỗ xốp đó quyết định liệu vật liệu có thể, ví dụ, tách carbon dioxide khỏi khí thải công nghiệp, tinh chế nhiên liệu hoặc phân lập các loại khí cụ thể được sử dụng trong sản xuất hay không.

Một thách thức lớn là cùng một thành phần hóa học có thể tạo ra nhiều cấu trúc khác nhau, không phải tất cả đều có các tính chất mong muốn. Việc tìm ra cấu trúc phù hợp theo phương pháp truyền thống đòi hỏi nhiều thử nghiệm, lượng lớn dung môi, gia nhiệt và tiêu tốn nhiều năng lượng.

Nghiên cứu mới này chứng minh một phương pháp tác động đến quá trình này chỉ bằng cách sử dụng một lượng chất lỏng rất nhỏ trong quá trình trộn và nghiền bột.

Các nhà nghiên cứu tập trung vào một loại vật liệu xốp thuộc họ imidazolat zeolit, hay ZIF được làm từ kẽm và hợp chất hữu cơ imidazole.

Thay vì sản xuất các vật liệu với số lượng lớn bằng dung môi, các nhà khoa học đã sử dụng quy trình cơ hóa học, trong đó các nguyên liệu ban đầu được nghiền cùng với một chất phụ gia lỏng.

Chất lỏng đóng vai trò như một chất định hướng cấu trúc, ảnh hưởng đến cách các nguyên tử và phân tử kết hợp với nhau để tạo thành vật liệu rắn cuối cùng.

Trong các thử nghiệm với 45 dung dịch lỏng, cùng một nguyên liệu ban đầu đã tạo ra 13 dạng vật liệu khác nhau thuộc 8 nhóm cấu trúc. Hai trong số các cấu trúc này chưa từng được báo cáo trước đây.

“Chúng ta không còn chỉ đơn thuần quan sát cách các vật liệu hình thành nữa, mà đang định hướng cách chúng kết hợp với nhau”, TS Ivana Brekalo thuộc Viện Ruđer Bošković, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Để xác định và kiểm chứng các cấu trúc được tạo ra, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật tia X tại Croatia và tại một phòng thí nghiệm quốc gia lớn ở Mỹ.

Các phép đo tia X cung cấp một dấu ấn chi tiết về sự sắp xếp của các nguyên tử bên trong vật liệu, cho phép các nhà khoa học phân biệt giữa các cấu trúc khác nhau.

Công trình thực nghiệm được kết hợp với các mô phỏng máy tính quy mô lớn được thực hiện bằng cách sử dụng tài nguyên siêu máy tính ở Croatia, Vương quốc Anh, Ba Lan và Canada.

Vì cấu trúc bên trong của vật liệu quyết định nhiều đặc tính của nó, việc kiểm soát tốt hơn quá trình hình thành vật liệu có thể giúp các nhà khoa học phát triển các vật liệu hiệu quả hơn cho việc thu giữ carbon dioxide, lọc công nghiệp và xúc tác.