Этот материал, металлорганический каркас (MOF) на основе циркония, в считанные минуты разлагает один из самых токсичных химических агентов, известных человечеству: зоман (GD), более токсичный родственник зарина. Компьютерное моделирование показывает, что MOF должен быть эффективным против других простых в создании агентов, таких как VX.
Катализатор является быстрым и эффективным в широком диапазоне условий, а пористая структура MOF может удерживать большое количество токсичного газа, когда катализатор выполняет свою работу. Эти особенности делают материал многообещающим для использования в защитном снаряжении солдат, таком как противогазы, и для уничтожения запасов химического оружия, например, тех, которые в настоящее время накапливаются в Сирии.«Этот разработанный материал очень термически и химически устойчив, и его не волнует, в каких условиях он находится», — сказал химик Омар К. Фарха, руководивший исследованием. «Материал может находиться в воде или очень влажной среде, при температуре 130 градусов или минус 15, или в пыльной буре. Солдату не нужно беспокоиться о том, в каких условиях сработает его защитная маска.
Мы можем это поставить. новый катализатор в тяжелых условиях, и он будет работать нормально ».По словам Фарха, MOF очень пористые, поэтому они могут захватывать, хранить и уничтожать много неприятного материала, что делает их очень привлекательными для приложений, связанных с обороной.Исследование, первое, демонстрирующее циркониевые MOF в качестве эффективного оружия против нервно-паралитических агентов, будет опубликовано 16 марта в журнале Nature Materials.
«Простые изменения в молекулярной структуре нервно-паралитического агента могут превратить то, что может убить человека, во что-то безвредное», — сказал Фарха, профессор химии в Колледже искусств и наук Вайнберга. «GD и VX не очень сложные агенты, но они очень токсичны. При правильном химическом составе мы можем сделать токсичные материалы нетоксичными».Металлоорганические каркасы представляют собой упорядоченные решетчатые кристаллы. Узлы решеток — это металлы, а органические молекулы соединяют узлы.
В своих очень вместительных порах MOF могут эффективно улавливать газы, например, нервно-паралитические агенты.Северо-западный MOF, называемый NU-1000, имеет узлы из циркония — активный каталитический центр, где происходят все важные химические процессы. Органический лиганд придает материалу его важную структуру, соединяя узлы, но он не участвует в катализе нервно-паралитического агента.Циркониевый узел выборочно зажимает связь сложного эфира фосфата в нервно-паралитическом агенте, делая его безвредным.
Когда критическая связь разорвана, остальная часть молекулы остается в покое. Связь разрывается в процессе гидролиза, реакции, включающей разрыв связи молекулы с использованием воды.
MOF может использовать влажность воздуха.В своем исследовании исследователи сначала протестировали свой катализатор против имитатора GD, называемого DMNP, и обнаружили, что MOF разрушил половину мишени менее чем за 1,5 минуты.
Затем они проверили MOF против GD и обнаружили, что катализатор разрушил половину нервно-паралитического агента менее чем за три минуты. Эти периоды полураспада очень впечатляют, сказал Фарха, и показывают, насколько хорошо работает катализатор.Они также протестировали только циркониевый кластер, без того, чтобы кластер находился в структуре MOF, и катализатор не был так эффективен при разложении нервно-паралитического агента.
Это показывает важность каркаса MOF.Экспериментальные и вычислительные результаты исследовательской группы предполагают, что необычайная активность NU-1000 проистекает из уникального циркониевого узла и структуры MOF, которая позволяет материалу взаимодействовать с большим количеством нервно-паралитического агента и разрушать его. Исследователи ожидают, что MOF будет эффективен против других простых в изготовлении боевых отравляющих веществ с фосфатно-эфирными связями, таких как VX.NU-1000 создан на основе фермента фосфотриэстеразы, который содержится в бактериях.
Природный фермент имеет два иона цинка, соединенных гидроксильной группой в качестве активного каталитического центра. Фарха и его коллеги хотели создать гораздо более мощный и стабильный катализатор, поэтому они использовали ионы циркония вместо цинка.
«Мы учимся у природы, но стараемся добиться большего, создавая более прочные материалы», — сказал Фарха. «Природный фермент выполняет точно такой же химический процесс, но его время жизни очень короткое — он не может выжить в условиях, в которых используются солдаты».Даже несмотря на то, что синтетический катализатор дает тот же продукт разложения оружия, что и фермент, он делает это способом, который гораздо меньше зависит от точной структуры и состава мишени химического оружия. Следующим шагом, следовательно, является определение степени, в которой искусственный катализатор функционирует как катализатор широкого спектра действия.
Фарха добавил: «Наш катализатор фантастический по сравнению с другими катализаторами, но предстоит еще много работы».