Найденные в Сибири минералы оказались природными аналогами металл-органических каркасов

Отдельные кристаллы искусственного жемчужниковита.

Отдельные кристаллы искусственного жемчужниковита.
Фотография McGill University.

Фрагмент кристаллической структуры природного минерала жемчужниковита.

Фрагмент кристаллической структуры природного минерала жемчужниковита.
Иллюстрация McGill University.

Отдельные кристаллы искусственного жемчужниковита.
Фрагмент кристаллической структуры природного минерала жемчужниковита.

Обнаруженные много лет назад в сибирских угольных шахтах в зоне вечной мерзлоты минералы оказались первыми найденными в природе веществами с металл-органическими каркасными структурами. Последние примерно с 1980-х годов создаются в лабораторных условиях, поскольку считалось, что они просто не могут существовать естественной среде.

Металл-органические каркасы (metal-organic frameworks или MOFs) – подкласс координационных полимеров. Они подобны молекулярной губке, которая способна впитывать газы – водород или диоксид углерода.

По словам учёных, в мире, где выбросы CO2 могут угрожать изменению климата планеты (впрочем, есть исследования и опровергающее эту точку зрения), такая особенность материала очень важна. В связи с этим химики на протяжении многих десятилетий изучали и "настраивали" MOFs, медленно улучшая их свойства, и даже не подозревали, что такие материалы создала и сама природа.

"Обнаружение подобных структур в Сибири полностью меняет наше представление об этих крайне востребованных материалах как о веществах, созданных человеком", — говорит учёный Томислав Фришчич (Tomislav Friščić) из канадского Университета МакГилла.

Но, как ни странно, подобные минералы – степановит (stepanovite) и жемчужниковит (zhemchuzhnikovite) – были открыты не сегодня: впервые их обнаружили более 70 лет назад (между 1940 и 1960 годами). Тогда из-за технических ограничений вещества не были исследованы должным образом.

Они и дальше оставались бы незамеченными, если бы Фришчич не нашёл старый документ о полезных ископаемых и не заметил бы, что их структурное описание было невероятным образом похоже на выращенные в лаборатории металл-органические каркасы.

Фрагмент кристаллической структуры природного минерала жемчужниковита.

Канадские учёные решили проверить это предположение и обратились за помощью к российским коллегам – Игорю Пекову из МГУ им. М.В. Ломоносова и Сергею Кривовичеву из Санкт-Петербургского государственного университета. Они помогли получить образцы жемчужниковита, определить структуру его кристалла и создать его синтетические аналоги.

Выяснилось, что жемчужниковит и степановит действительно принадлежат к числу металл-органических каркасов: они состоят из множества углеводородных нитей, заплетённых в своеобразные "снежинки" и "соты", в центре которых находятся ионы металлов, соединённые с молекулами воды, сообщает РИА Новости. Эти ионы, как, отмечают эксперты, мешают данным природным минералам впитывать углекислый газ и водород, из-за чего их нельзя использовать в промышленных целях.

По словам Фришчича, если бы учёные смогли определить структурные характеристики минералов в 1960-х годах, то область создания металл-органических каркасов могла быть ускорена на 30 лет.

Специалисты говорят, что, вероятно, научный мир не начнёт в ближайшее время использовать сибирские минералы – их структура не совсем правильно улавливает углерод. Кроме того, их довольно трудно найти в природе.

Однако открытие доказывает, что, вероятно, существует больше MOFs, созданных природой, и в будущем их изучение поможет улучшить свойства веществ, выращенных в лаборатории.

Результаты исследования опубликованы в научном издании Science Advances.