Исследователи из Университета Южной Дании синтезировали кристаллический материал, который способен связывать и удерживать большое количество кислорода. Кислород, при необходимости, может быть выделен снова.
Мы чувствуем себя хорошо, когда окружены воздухом с 21-процентным содержанием кислорода, которым дышим. Но иногда кислород требуется в более высоких концентрациях. Например, пациенты с заболеваниями лёгких вынуждены использовать тяжёлые кислородные баллоны. Автомобили, использующие топливные элементы, нуждаются в регулируемой подаче кислорода. Возможно, в будущем снижение стоимости получения водородного топлива приведёт к более широкому использованию водородных топливных элементов, которым необходим кислород для работы.
Профессор Кристина Маккензи (Christine McKenzie) и постдок Йонас Сандберг (Jonas Sundberg) с кафедры физики, химии и фармации университета Южной Дании синтезировали материал, который поглощает кислород в больших количествах и хранит его.
«Мы наблюдали в лаборатории, как этот материал поглотил кислород из воздуха вокруг нас», — говорит Кристина Маккензи.
Новый материал представляет собой кристаллическую соль, и с помощью рентгеноструктурного анализа исследователи изучили расположение атомов внутри материала, когда он был наполнен кислородом, и когда был освобождён от кислорода.
Тот факт, что это вещество может насыщаться кислородом, не удивителен сам по себе. Множество веществ делает это и результат не всегда желателен.
«Важной особенностью этого нового материала является то, что он реагирует с кислородом обратимо. Он поглощает кислород в ходе процесса, который называется селективной хемосорбцией и работает и как датчик, и как контейнер для кислорода. Мы можем использовать его, чтобы связывать, хранить и транспортировать кислород, — как твёрдый искусственный гемоглобин», — поясняет профессор Маккензи.
Десять литров нового материала способны вобрать в себя весь кислород в комнате среднего размера.
«Интересно также, что материал может поглощать и выделять кислород много раз. Это как погружение губки в воду: выжав воду из неё, вы можете повторять процесс снова и снова», — продолжает Кристина Маккензи.
После того, как кислород поглощён, он будет храниться в материале, пока не потребуется освободить его. Кислород может быть освобождён осторожным нагревом материала, выделение газа начнётся и в условиях снижения атмосферного давления.
«Мы наблюдаем выделение кислорода, когда мы разогреваем материал, и также видим это, когда применяем вакуум. Нас сейчас интересует, может ли быть использован в качестве триггера выделения кислорода свет, это могло бы открыть перспективы в развивающейся области искусственного фотосинтеза», — говорит Кристин Маккензи.
Ключевым компонентом нового материала является кобальт, который связан со специально разработанной органической молекулой.
«Именно кобальт придаёт новому материалу молекулярную и электронную структуру, которая позволяет ему поглощать кислород из окружающей среды. Этот механизм хорошо известен, он используется всеми дышащими созданиями на Земле. Человек и многие другие виды используют железо, в то время как другие животные, например, крабы и пауки, используют медь. Небольшие количества металлов имеют большое значение для поглощения кислорода, этот же эффект наблюдается в нашем новом материале», — объясняет Кристина Маккензи.
В зависимости от количества кислорода в атмосфере, температуры, давления и т.д. поглощение кислорода из окружающей среды новым веществом может занимать секунды, минуты, часы или дни. Различные варианты вещества могут связывать кислород с разной скоростью. Это даёт возможность создать устройства, которые будут высвобождать и/или поглощать кислород при различных обстоятельствах. Например, маска, содержащая слои этих материалов в правильной последовательности, может активно снабжать человека кислородом, получая его непосредственно из воздуха, без помощи насосов.
«Когда материал насыщается кислородом, его можно сравнить с баллоном, содержащим чистый кислород под давлением, разница в том, что этот материал может содержать в три раза больше кислорода», — утверждает Кристина Маккензи.
