刚性有机笼分子和庞大溶剂的结合使研究人员能够制造出具有永久孔隙率的液体。这种新型多孔材料结合了液体的优势和固体吸附剂框架的优势，可能在催化或碳捕获等重要领域找到应用。
多孔固体，如沸石或金属有机骨架（MOF），常用于各种化学过程中。这些材料结构刚性，含有规则尺寸和形状的永久空腔。相比之下，传统液体中的“孔隙率”仅限于其分子之间定义不明确且瞬时的空腔。尽管用途广泛，但沸石和MOF的固体性质在某些领域可能会造成限制，因此结合了流动性和永久孔隙率的材料具有重要的技术意义。
一个由英国、法国、德国和阿根廷的科学家组成的国际团队现在已经能够设计和制备出使用刚性有机笼分子的“永久多孔液体”。这些笼子的优势在于，它们可以在不破坏任何化学键的情况下溶解在另一种材料中，从而充当可溶性多孔单元。作者指出，他们的多孔分子液体与含有空心胶体二氧化硅球的多孔高分子液体有着根本的不同。“我们采用了这些笼状分子，其内部有一个空的空间，可以通过小窗口进入，并将它们以非常高的浓度溶解在溶剂中，溶剂分子太大，无法穿过窗口，”主要作者、英国贝尔法斯特女王大学无机化学主席斯图尔特·詹姆斯解释道。“这样，我们就创造出一种内部漂浮着空孔的液体。”
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作者首先将笼分子溶解在由冠醚组成的液体中——冠醚是含有多个醚亚基的环状化学单元。为了在庞大的溶剂中实现高溶解度，该团队用六个冠醚基团对每个笼进行功能化。通过这种方法，他们能够获得浓缩的液相，尽管笼的浓度很高，但它在室温下流动。
捕获的气体
德国海德堡大学鲁普雷希特-卡尔大学有机化学教授迈克尔·马斯特勒兹说：“詹姆斯及其同事的工作很重要，因为它首次表明液体可以具有永久的孔隙率。”他解释说，制造这种液体的挑战在于设计一种本身就是液体，或者高度溶于不能渗透分子孔的溶剂的分子。“这并非易事，”他说。“通常，使用长链或支链烷基来增加溶解度或降低较大分子的熔点，但线性烷基链可以渗透到相邻分子的空腔中，导致液体不具有孔隙率。詹姆斯等人使用了一个巧妙的技巧来解决这个问题：他们将多孔的冠醚修饰分子与冠醚结合起来。”
研究人员通过结合分子动力学模拟和正电子湮灭寿命光谱（一种常用于研究固体中的空隙和缺陷的技术）对新材料进行了表征，发现多孔液体可以溶解异常大量的气体。詹姆斯说：“甲烷等小气体分子能够穿过窗口进入孔隙，因此我们看到的是，孔隙大大增加了这种气体的溶解度。”该团队证明，带有小外围基团的笼子也可以用于制造多孔液体。这是通过从市售试剂的混合物中制造“打乱的”笼子来实现的。在这两种情况下，秘诀都是避免可能渗透到分子笼腔中的官能团。
但是，根据马斯特勒兹的说法，多孔液体中的表面积和气体总吸收量仍然远低于大多数沸石和MOF。“目前，这种材料无法与这些固体竞争，”他说，并补充说，永久多孔液体应该被视为一类新物质的原型。“尽管如此，这种材料具有许多优点，因为它是一种流体，例如可以通过管道和管子泵送。这可能在未来用于气体分离或运输等技术应用。”