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Nov 14, 2023

빙하 온도에서 결정 수화물의 탈수

자연 616권, 페이지

Nature 616권, 288~292페이지(2023)이 기사 인용

11,000번의 액세스

58 알트메트릭

측정항목 세부정보

물은 지구상에서 가장 중요한 물질 중 하나입니다1. 그것은 고체, 액체, 증기 상태 어디에나 존재하며 알려진 모든 생물학적 시스템은 독특한 화학적, 물리적 특성에 의존합니다. 더욱이, 많은 물질이 물 부가물로 존재하며, 그 중 가장 중요한 것은 결정 수화물(특정 종류의 내포 화합물)이며, 일반적으로 주변 온도 이하에서 물을 무기한 유지합니다2. 우리는 55% 이상의 상대 습도에서 물을 1nm 폭의 채널로 쉽고 가역적으로 흡착하는 다공성 유기 결정을 설명합니다. 물 흡수/방출은 발색이므로 넓은 온도 범위에서 결정의 수화 상태를 시각적으로 편리하게 표시할 수 있습니다. X-선 회절, 광학 현미경, 시차 주사 열량계 및 분자 시뮬레이션의 보완 기술을 사용하여 나노에 갇힌 물이 -70°C 이상의 플럭스 상태에 있어 저온 탈수가 발생할 수 있음을 확인했습니다. 우리는 대기 수분의 존재로 인해 일반적으로 달성하기 어려운 0°C 미만을 포함하여 넓은 온도 범위에서 탈수 동역학을 결정할 수 있었습니다. 이 발견은 대량 물의 어는점보다 훨씬 낮은 온도 범위에서 물을 포착/방출하는 재료를 설계할 수 있는 기회를 열어줍니다.

많은 결정 수화물은 잘 정의된 온도, 압력 및 상대 습도(RH) 조건에서 대기와 물을 교환할 수 있습니다. 이들은 이온 결합 수화물, 분리 수화물, 채널 수화물이라는 세 가지 클래스3,4로 분류됩니다. 채널 수화에서 호스트에 대해 화학양론적이거나 비화학양론적일 수 있는 게스트 물 분자는 일반적으로 나노 크기 기공과 느슨하게 연결된 수소 결합 사슬 및 클러스터를 형성하여 주변 환경과 더 쉽게 교환되는 경향이 있습니다5.

수화와 탈수를 지배하는 조건을 확립하는 것은 재료 과학의 중요한 측면입니다. 예를 들어, 많은 활성 제약 성분은 수화물을 형성하며 주변과 물의 자발적인 교환은 효능과 장기 안정성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다6. 또한, 건조7 및 대기 물 수확8,9,10을 위한 다용도 신소재에 대한 지속적인 탐구에는 여러 응용 분야별 매개변수의 미세 조정이 필요하며, 그 중 중요한 것은 물 방출 역학과 열 재생의 에너지 비용 간의 균형입니다. . 따라서 물 방출의 시작 온도(Ton), 즉 물 손실률이 사실상 0이 되는 임계 온도는 모든 수화물의 핵심 집중 특성입니다. Ton 이상에서 탈수 속도는 환경 요인, 샘플 컨디셔닝 및 활성화 에너지 Ea, 주파수 요인 및 반응 순서와 같은 추가 집중 매개변수의 영향을 받습니다. 톤은 일반적으로 0% RH 및 1atm5의 압력에서 질소 퍼지 가스로 구성된 대기에서 열중량 분석(TGA) 또는 시차 주사 열량계(DSC)에 의해 결정됩니다. 채널 수화물의 탈수에 대한 Ton 값은 20-200°C(보충 표 1)의 넓은 온도 범위에서 보고되었으며 대부분의 경우 Ton은 60°C보다 큽니다. 실온에서 습기로 인해 물 교환이 일어나는 물질의 경우 Ton이 실온보다 낮다고 가정하는 것이 합리적이지만 Ton의 대기압 값은 일반적으로 보고되지 않습니다. 실제로 정확한 값을 안정적으로 결정하는 것은 어렵습니다. 톤은 일반적으로 샘플을 가열하여 기록되며, 대기 중 수분이 편재하기 때문에 주변 온도 이하에서 샘플을 처리하는 동안 수화 정도를 제어하기가 어렵습니다(방법의 '열 분석' 섹션 참조).

여기에서는 대기 중 물을 1nm 너비 채널에 쉽고 가역적으로 흡착하는 증기 변색 채널 수화물에 대해 설명합니다. 물에 의해 유발된 뚜렷한 색상 변화를 통해 우리는 온도에 따른 자체 표시 결정의 수화 상태를 시각적으로 모니터링할 수 있었고, 따라서 해당 물질이 -70°C만큼 낮은 온도에서도 수증기를 방출할 수 있다는 것을 명확하게 확인할 수 있었습니다. 또한, Ton에 걸친 122개의 가변 온도 결정 구조 '스냅샷'을 기반으로 물의 격리 및 방출 메커니즘을 가정하며, 이는 -50°C에서 25° 사이의 온도에서 탈수 동역학 측정을 통해 뒷받침됩니다. 씨. Ton의 알려진 값의 하한을 실질적으로 확장하는 것은 기능성 수화물의 탈수 동역학의 향후 조정에 중요한 의미를 갖습니다.