Τα υβριδικά νανοϋλικά με βάση τις πολυοξομεταλλικές ενώσεις (Polyoxometalates, POM) μπορούν να προσφέρουν μια σημαντική ώθηση στις προσπάθειες για βιωσιμότητα σε ένα μεγάλο εύρος τομέων της οικονομίας, αλλά η έρευνα για τις ουσίες αυτές είναι ακόμα σε πολύ πρώιμο στάδιο.
Μια ομάδα ερευνητών από την Κίνα εκπόνησε ολοκληρωμένη ανασκόπηση της προόδου και των προκλήσεων που σχετίζονται με αυτά τα υλικά, οι οποίες ακόμα δεν έχουν ξεπεραστεί, η οποία δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Polyoxometalates, χαράσσοντας ένα μονοπάτι έρευνας σε αυτό το πεδίο αιχμής της επιστήμης των υλικών.
Οι ερευνητές αναφέρουν μια νέα κατηγορία υβριδικών υλικών νανοκλίμακας η οποία έχει τη δυνατότητα να βελτιώσει τη βιωσιμότητα στα ενεργειακά συστήματα, στις μεταφορές, στους βιοαισθητήρες, στον καθαρισμό του νερού, ακόμη και στην τρισδιάστατη εκτύπωση, αλλά το πεδίο είναι ακόμα πολύ νέο.
Τις τελευταίες δεκαετίες, έχει εμφανιστεί μια νέα κατηγορία υλικών νανοκλίμακας, ή πιο απλά νανοϋλικών, στην οποία μια μονάδα έχει διαστάσεις από 1-100 νανόμετρα. Σε αυτή την κλίμακα, τα υλικά μπορούν να επιδείξουν μοναδικές και συχνά βελτιωμένες φυσικές, χημικές και βιολογικές ιδιότητες που διαφέρουν από τα υλικά με μεγαλύτερες δομικές μονάδες. Για παράδειγμα, τα υλικά νανοκλίμακας μπορεί να έχουν υψηλότερη αναλογία επιφάνειας προς όγκο, η οποία μπορεί να αυξήσει την αντιδραστικότητα και την ικανότητα τους να καταλύουν (εκκινούν ή επιταχύνουν) χημικές αντιδράσεις.
Ίσως το πιο γνωστό νανοϋλικό είναι το γραφένιο, αλλά τα νανοϋλικά μπορούν να κατασκευαστούν από ένα ευρύ φάσμα ουσιών, συμπεριλαμβανομένων των μετάλλων, των ημιαγωγών, των κεραμικών και των πολυμερών. Πιο πρόσφατα, οι ερευνητές ανέπτυξαν επίσης νανοϋβρίδια, δηλαδή ουσίες που συνδυάζουν δύο ή περισσότερους διαφορετικούς τύπους νανοϋλικών.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους ερευνητές, ειδικά εκείνους που στοχεύουν να καταστήσουν τη βιομηχανική παραγωγή πιο βιώσιμη, είναι τα νανοϋβρίδια με βάση τις πολυοξομεταλλικές ενώσεις (POM), τα οποία έχουν μοναδικές καταλυτικές ιδιότητες στις φωτοηλεκτροχημικές αντιδράσεις, οι οποίες παράγουν ηλεκτρισμό από το φως ή διασπούν το νερό σε καθαρό υδρογόνο και οξυγόνο. Το γεγονός αυτό καθιστά τα νανοϋβρίδια με βάση τις ενώσεις POM, εξαιρετικά υποσχόμενα για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της μετατροπής και αποθήκευσης καθαρής ενέργειας, καθώς και αισθητήρων και ηλεκτρονικών συσκευών που δεν εξαρτώνται από τη χρήση μη πράσινων πηγών ενέργειας.
Οι ενώσεις POM είναι μια πολύ μεγάλη κατηγορία φθηνών και σταθερών ανόργανων ενώσεων που αποτελούνται από ιόντα μετάλλων, συνήθως μέταλλα μετάπτωσης όπως το βολφράμιο ή το μολυβδαίνιο, που συνδέονται μεταξύ τους με άτομα οξυγόνου για να σχηματίσουν μία τρισδιάστατη δομή. Οι ενώσεις POM αποτελούνται συνήθως από μεγάλα, πολύπλοκα μόρια που μπορούν να έχουν ένα ευρύ φάσμα σχημάτων και μεγεθών και παρουσιάζουν μια ποικιλία από ενδιαφέρουσες και χρήσιμες ιδιότητες.
«Υπήρξε μια έκρηξη έρευνας γύρω από τα νανοϋβρίδια με βάση τις ενώσεις POM τα τελευταία χρόνια, και έτσι σκεφτήκαμε ότι ήρθε η ώρα να πραγματοποιήσουμε μία ανασκόπηση της τρέχουσας κατάστασης προκειμένου να εντοπίσουμε πιθανά ερευνητικά κενά και αντικρουόμενα αποτελέσματα», δήλωσε ο Guangjin Zhang. συγγραφέας της ερευνητικής ανασκόπησης και χημικός στο Key Laboratory of Green Process and Engineering της Chinese Academy of Sciences.
Οι επιστημονικές μελέτες ανασκόπησης (scientific review papers) αποτελούν ουσιαστικό μέρος της επιστημονικής διαδικασίας, και έχουν ως στόχο να συνοψίσουν και να αξιολογήσουν κριτικά την τρέχουσα κατάσταση γνώσης για ένα συγκεκριμένο θέμα σε ένα δεδομένο πεδίο της επιστήμης, να αξιολογήσουν την ποιότητα και την αξιοπιστία της υπάρχουσας βιβλιογραφίας και να προτείνουν μελλοντικές κατευθύνσεις έρευνας.
Οι συντάκτες της ανασκόπησης συμπεραίνουν ότι αυτό που καθιστά τις ενώσεις POM τόσο ελκυστικές είναι ο τρόπος που μπορούν να ενισχύσουν τις φωτοηλεκτροχημικές καταλυτικές ιδιότητες του προκύπτοντος νανοϋβριδικού υλικού. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι ενώσεις POM μπορούν να λειτουργήσουν και ως δέκτες και ως δότες ηλεκτρονίων, γεγονός που διευκολύνει τη μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου και τη βελτίωση της απόδοσης των σχετικών αντιδράσεων. Ακόμα πιο σημαντικό, οι ενώσεις POM μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως καταλύτες οι ίδιες, ενισχύοντας περαιτέρω τις καταλυτικές ιδιότητες του νανοϋβριδικού υλικού.
Η ανασκόπηση εξηγεί επίσης τη διαφορά μεταξύ διμερών και τριμερών νανοϋβριδίων που βασίζονται σε ενώσεις POM. Το πρώτο είδος νανοϋβριδίου αποτελείται από δύο λειτουργικά υλικά νανοκλίμακας και το δεύτερο από τρία. Τα δυαδικά νανοϋβρίδια συνδυάζουν ενώσεις POM με ένα μέταλλο ή έναν ημιαγωγό ή μία μορφή άνθρακα σε νανοκλίμακα, ενώ τα τριμερή νανοϋβρίδια συνδυάζουν μία ένωση POM, ένα μέταλλο και μία μορφή άνθρακα σε νανοκλίμακα.
Οι συγγραφείς αναφέρουν ότι τα δυαδικά νανοϋβρίδια έχουν μελετηθεί εκτενώς και έχουν δείξει πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα σε μια ποικιλία εφαρμογών, όπως η φωτοκατάλυση, οι κυψέλες καυσίμου και οι βιοαισθητήρες. Εν τω μεταξύ, τα τριμερή νανοϋβρίδια έχουν τη δυνατότητα να συνδυάσουν τις μοναδικές ιδιότητες τριών διαφορετικών υλικών, με αποτέλεσμα ακόμη μεγαλύτερη λειτουργικότητα και ευελιξία.
Ένας από τους πιο πολλά υποσχόμενους τομείς έρευνας για τα νανοϋβρίδια και των δύο τύπων που βασίζονται σε ενώσεις POM προέρχεται από τη χρήση τους στη φωτοκατάλυση, τη χρήση δηλαδή του φωτός για την πρόκληση χημικών αντιδράσεων. Τα νανοϋβρίδια με βάση ενώσεις POM έχουν τη δυνατότητα να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα των φωτοκαταλυτικών αντιδράσεων, οι οποίες θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές εφαρμογές σε τομείς όπως η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας και η περιβαλλοντική αποκατάσταση.
Τα νανοϋβρίδια έχουν επίσης εφαρμογή σε κυψέλες καυσίμου, οι οποίες είναι συσκευές που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, και χρησιμοποιούνται συνήθως στον κλάδο των μεταφορών σε οχήματα που τροφοδοτούνται με υδρογόνο. Τα νανοϋβρίδια που βασίζονται σε ενώσεις POM έχουν τη δυνατότητα να βελτιώσουν την απόδοση και την ανθεκτικότητα των κυψελών καυσίμου.
Ένας άλλος τομέας που δε σχετίζεται με τη βιώσιμη ενέργεια, όπου τα νανοϋβρίδια με βάση ενώσεις POM έχουν πιθανές εφαρμογές, είναι αυτός των βιοαισθητήρων, συσκευών που ανιχνεύουν και μετρούν βιολογικές ή χημικές ουσίες σε ένα δείγμα μέσω αλλαγών στα ηλεκτρικά σήματα που προκύπτουν από βιοχημικές αντιδράσεις. Η μεγάλη επιφάνεια και η ικανότητα των νανοϋβριδίων να ακινητοποιούν βιομόρια, μεταξύ άλλων ιδιοτήτων, τα καθιστούν ιδιαίτερα κατάλληλα για χρήση σε τέτοιες συσκευές.
Ήδη, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει νανοϋβρίδια με βάση ενώσεις POM για να αναπτύξουν βιοαισθητήρες που μπορούν να ανιχνεύσουν ουσίες όπως η σιμαζίνη και το υπεροξείδιο του υδρογόνου με υψηλή ευαισθησία. Αυτοί οι βιοαισθητήρες έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από ιατρικά διαγνωστικά μηχανήματα έως την παρακολούθηση περιβαλλοντικών παραμέτρων. Άλλες αναδυόμενες εφαρμογές περιλαμβάνουν τον καθαρισμό του νερού, τους ημιαγωγούς και την τρισδιάστατη εκτύπωση.
Μία από τις κύριες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές σε αυτόν τον τομέα είναι ότι ενώ τα τριμερή νανοϋβρίδια που βασίζονται σε ενώσεις POM προσφέρουν ακόμη πιο βελτιωμένη απόδοση, προς το παρόν, η έρευνα βρίσκεται ακόμη σε αρχικό στάδιο, με περιορισμένη κατανόηση των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς για αυτό το είδος των νανοϋβριδίων.
Οι πιθανές εφαρμογές τους εξακολουθούν να διερευνώνται και ενδέχεται να υπάρχουν προκλήσεις που σχετίζονται με την ανάπτυξη και τη βελτιστοποίηση τριμερών νανοϋβριδίων για συγκεκριμένες εφαρμογές. Επιπλέον, για όλους τους τύπους νανούβριδίων που χρησιμοποιούν ενώσεις POM, η διαλυτότητα των μορίων αυτών των ενώσεων στα υβρίδια μπορεί να υποβαθμίσει την απόδοση τους ως καταλύτες. Η ανομοιόμορφη διασπορά τους στην επιφάνεια και στο εσωτερικό αγώγιμων ουσιών, παραμένει επίσης ένα επίμονο πρόβλημα και όταν συνδυάζεται με μέταλλα ή οξείδια μετάλλων, ο έλεγχος του μεγέθους και του σχήματος των σωματιδίων είναι δύσκολος.
Οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι η μεγαλύτερη εστίαση σε μια θεμελιώδη κατανόηση της σχέσης μεταξύ της δομής των υβριδίων και της χημικής τους δραστηριότητας θα βοηθήσει στην υπέρβαση αυτών των εμποδίων με σκοπό τη χρήση σε μεγαλύτερο αριθμό εφαρμογών, ωστόσο, σίγουρα απαιτείται ευρύτερη συνεργασία μεταξύ διαφορετικών κλάδων για να επιτευχθεί αυτό.
Με πληροφορίες από eurekalert.org
