12 Kwietnia 2023 roku w czasopiśmie „Nature” został opublikowany artykuł zatytułowany „Dehydration of a crystal hydrate at subglacial temperatures”.
Wprawdzie z punktu widzenia chemika woda jest bardzo prostym związkiem, to jej znaczenie w przyrodzie jest nie do przecenienia. Wystarczy powiedzieć, że stanowi aż 60% masy ludzkiego ciała, a jej niedobór jest jednym z największych problemów, jakie dotykają ludzkość. Mimo iż woda jest jedną z najczęściej badanych substancji jej właściwości nie przestają zaskakiwać.
Jednym z obecnie intensywnie eksplorowanych obszarów badań są substancje zdolne do kontrolowanego i odwracalnego pochłaniania, przechowywania i oddawania wody. Takie właściwości są szczególnie pożądane, np.: w formulacjach farmaceutycznych i w pochłaniaczach wody. Większość znanych związków tego typu uwalnia wodę w wyższej temperaturze, często przekraczającej temperaturę wrzenia wody, co czyni ten proces kosztownym i wymagającym użycia znacznych ilości energii. Aby pozyskiwanie wody z atmosfery było opłacalne, poszukuje się takich materiałów, w których proces uwalniania wody może być przeprowadzony w temperaturach niewiele wyższych niż temperatura pokojowa.
W kwietniu w czasopiśmie „Nature” został opublikowany artykuł zatytułowany „Dehydration of a crystal hydrate at subglacial temperatures”, w którym naukowcy z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza i Uniwersytetu Stellenbosch wykazali, że kryształy chiralnego związku makrocyklicznego, nazywanego zwyczajowo triangliminą, wykazują zdolność do odwracalnego pochłaniania i uwalniania wody w temperaturach poniżej jej punktu zamarzania. Ściślej, najniższa temperatura, w której można zaobserwować ten cykliczny proces to -70 °C. Poniżej tej temperatury następuje zeszklenie wody zawartej w kryształach hydratu, co jest równoznaczne z zanikiem jej zdolności do przepływu.
Struktura kryształu przypomina tzw. cegłę dziurawkę, gdzie średnica kanału wynosi 1 nm, a ściany zbudowane są z makrocykli. Proces pochłaniania i utraty wody można obserwować gołym okiem, bo wiąże się on ze zmianą barwy kryształu (z żółtej na czerwoną i odwrotnie), na skutek zmiany konfiguracji elektronowej w obrębie makrocykla związanej z odwracalnym przeniesieniem protonu. Pochłanianie i usuwanie wody nie zmieniają struktury kryształu, sam proces jest bardzo szybki i może przebiegać wielokrotnie bez znamion fizycznego zniszczenia próbki. Należy nadmienić, że tego typu zmiana barwy jest obserwowana tylko dla odpowiedniej fazy krystalicznej.
Prezentowane badania są istotnym krokiem w kierunku racjonalnego projektowania materiałów zdolnych do odwracalnego wychwytywania wody z atmosfery, nawet przy niskiej wilgotności. Jest to szczególnie ważne dla tzw. jałowych obszarów świata, takich jak obszary stepowe i pustynne. Innym obszarem zastosowań są wskaźniki wilgotności dla przemysłu spożywczego i farmaceutycznego, w tym transport i przechowywanie zamrożonej żywności i szczepionek.
Badania prowadzą naukowcy z Uniwersytetu Stellenboscha oraz naukowcy z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu: prof. UAM dr hab. Agnieszka Janiak oraz prof. dr hab. Marcin Kwit.
Otwarty dostęp do artykułu jest dostępny dzięki programowi ID-UB (link: https://rdcu.be/daMPe).
A.J. & M.K.
Although water is a very simple compound from a chemist's point of view, its importance in nature cannot be overestimated. Suffice it to say that it constitutes as much as 60% of the human body weight, and its scarcity is one of the greatest problems affecting humanity. Despite the fact that water is one of the best-studied substances, its properties never cease to surprise.
Currently one of the intensively explored areas of research concerns substances capable of controlled and reversible absorption, storage and release of water. Such properties are particularly desirable in, for example, pharmaceutical formulations and desiccants. Most of the known materials of this type release water at higher temperatures, often well above the normal boiling point of water, making the dehydration process expensive and energy-intensive. To make water harvesting from the atmosphere cost-effective, materials are sought that can release water at temperatures only slightly above room temperature.
On April 12, 2023, the journal Nature published a paper entitled "Dehydration of a crystal hydrate at subglacial temperatures," in which scientists from the Adam Mickiewicz and Stellenbosch Universities demonstarted that crystals of a chiral macrocyclic compound, conventionally called trianglimine, have the ability to spontaneously absorb water and release it at sub-zero temperatures. More specifically, the lowest temperature at which this cyclic process can be observed is -70 °C. Below this temperature, the water exists in glass-like state in the hydrate crystals, which is equivalent to losing its ability to flow.
The crystal structure of trianglimine resembles a so-called hollow brick, in which the channel diameter is 1 nm, and the walls are made of macrocycles. The process of water absorption and desorption is visualized as a change in the colour of the crystal from yellow to red and vice versa, which is a consequene of a change in the electron configuration within the macrocycle, associated with reversible proton transfer. Water uptake and realase do not change the crystal structure; the process prooceeds very fast and can be repeated many times without any signs of physical damage to the sample.
The presented research is an important step toward the rational design of materials capable of reversible water capture from the atmosphere, even at low humidity. This is particularly important in so-called arid regions of the world, such as steppes and deserts. Another area of application is humidity indicators for the food and pharmaceutical industries, including the transport and storage of frozen food and vaccines.
Open access to the article is available through the ID-UB program (link: https://rdcu.be/daMPe).
A.J. & M.K.