The structural transformations of periodic structures are very often initiated by the dynamicalfluctuation of theequilibrium structure. The natural mechanical excitations in crystals are called phonons. If the energy of thesefluctuations is low, they can easily be transformed into static deformations which define new structural prop-erties of the materials. This is the case in so called gate opening transformations which modify the structure andthe adsorptive properties of porous solids. Using the example of three SOD-type zeolitic imidazolate frameworks(ZIFs) containing linker molecules with different substituents, we show that analysis of low-frequency phononsobtained from density-functional theory (DFT) calculations allows one to model the observed gate opening andto understand the microscopic mechanism of this structural transformation.

Unlike macroscopic objects, any system of nanometric size shows characteristics that strongly depend on its sizeand geometric form. It is mainly because the major part of atoms (or molecules) of nano-object is located at itssurface, and their cohesive energy is smaller than for the atoms in the bulk. Here we show that when a fluid isconfined in nano-volume, delimited by non-attractive pore walls, its density is heterogeneous, in particular closeto the pore wall, and, on average, smaller than the density of bulk fluid. This effect progressively weakens whenthe pore size increases, and totally disappears for pores larger than 5 nm. The reported observation has nontrivialinfluence on evaluation of total and excess amount of fluid adsorbed in nanopores, as these quantities aretraditionally calculated assuming the known – and homogeneous –density of the bulk fluid. Additionally, wepropose a new method of the estimations of the accessible pore volume, based on the analysis of the density ofconfined fluid. The right estimation of both: pore volume and gas density is essential for quantitative interpretationof experimental adsorption isotherms: evaluation of pore size distribution and of the adsorbed amount.Although we analyze these problems taking an example of hydrogen at 77 K, our conclusions are general andapply to any fluid confined in nanopores.

The systematic usage of fossil fuels and the emission of their combustion products (mostly CO2) in the air have already impacted global climate. Therefore, new technological solutions to drug the global energy economy towards cleaner and renewable fuels, in particular for mobile applications, are urgently needed. In particular the efficient storage of hydrogen, a clean energy vector, requires to develop an adequate sorbent operating at ambient temperature and moderated pressures, with simultaneously optimized specific surface and hydrogen binding energy. In this project we explore the potential effectiveness of arc-discharge procedure to synthesize carbon-based nanoporous sorbents with characteristics fulfilling the requirements of vehicular applications. We show that by adjusting the synthesis parameters is possible to prepare numerous graphene-based structures of different forms, sizes, and interconnections between them. The arc-discharge technique provides also a relatively easy way to incorporate heteroatoms (like boron or nitrogen) into pure carbon structures. The as-synthesized boron-substituted carbon nanostructures are characterized in term of texture (using nitrogen adsorption and spectroscopic measurements) and homogeneity of boron (using energy filtered transmission electron microscopy). The calorimetric study at different temperatures were performed to quantify the material’s capacity to adsorb hydrogen.The obtained results are promising. The energy of hydrogen adsorption in our samples is the highest ever observed experimentally in carbon-based sorbents. However, the specific surface of as prepared samples is low. Therefore, the thermal and chemical activation procedure have been applied to increase the surface accessible for adsorption and micropore volume, and in consequence, the samples’ capacity to store hydrogen.

W odróżnieniu od obiektów makroskopowych, własności układów o rozmiarach nanometrycznych silnie zależą od ich wielkości i kształtu. Wynika to z faktu, iż większość atomów nanoobiektów znajduje się na ich powierzchni, i ich ich energia kohezji jest mniejsza niż atomów wewnątrz układu. Pokażemy, że gęstość gazu zamkniętego w objętości (w porze) o rozmiarach nanometrycznych, ograniczonej nieoddziaływującymi ścianami jest niejednorodna, i mniejsza (średnio) niż gęstość gazu w skali makroskopowej. Niejednorodność rozkładu gęstości maleje gdy rozmiary układu rosną, i jest zaniedbywalna dla obiektów o rozmiarach powyżej 5 nm. Z drugiej strony, gdy rozmiary poru maleją, gęstość gazu zbliża się do wartości gęstości gazu doskonałego. Efet ten należy odróżnić od niejednorodności gęstoci gazów zaadsorbowanych w nanoporach, spowodowanej różnicą siły oddziaływania gaz-gaz i gaz-adsorbent, która zmienia się wraz z odległością od adsorbenta. Wynik ten ma fundamentalne znaczenie w opisie ilościowym zjawisk adsorpcji, i poprawnym oszacowaniu adsorpcji całkowitej i nadmiarowej w nanoporach. Obie wielkości są obliczane zakładając stałą i jednorodną gęstość gazu w danych warunkach termodynamicznych (p,T), wyznaczoną dla obiektów makroskopowych. Ponadto objętość zajmowana przez gaz w nanoporach nie jest prosta i jednoznaczna do zdefiniowania. Tymczasem obie wielkości: objętość poru i gęstość gazu jaki można pomieścić (bez adsorbcji) w nanoporze są wielkościami niezbędnymi dla poprawnej ilościowej interpretacji eksperymentalnych izoterm adsorbcji. Przeanalizujemy ten aspekt na przykładzie sześciu gazów : badanych intensywnie nośników energii H2 i CH4, używanych do charakteryzacji materiałów porowatych N2, Ar i Kr, oraz CO2, podstawowego gazu cieplarnianego. Praca wykonana w ramach grantu French National Research Agency ANR, grant HYSTOR no. ANR-14-CE05-0009.

Maszyny molekularne [1], zwane także nano-maszynami, są obiektami w skali nanometrycznej, które mogą wykonywać ruchy translacyjne i/lub rotacyjne charakterystyczne dla urządzenie mechanicznych. Synteza tego typu nano-obiektów, to jest nowa rozwijająca się dziedzina, której znaczenie zostało potwierdzone przez przyznanie nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 2016 roku [2-4]. W niniejszej prezentacji dyskutujemy rozwój tej dziedziny od czasów Richard’a Feynmann’a [5] do czasów współczesnych, z akcentem na aktualny ‘state of art’ w tej działalności.Przedstawimy koncepcję molekularnego motoru [6] i przedyskutujemy rożne aspekty związane z jego funkcjonowaniem: źródła energii, wpływ masy i lepkości otoczenia, oraz rolę ruchów Browna, a tym samym zwrócimy uwagę na termodynamiczne nierównowagowe aspektu nano-systemów.

At the nanoscale the positions of coexistence lines on the phase diagrams are shifted and their new locations depend mainly on the size and shape of the nano-confinement, the structure of the confining walls, and their interaction with the confined substance. Here we show that it is possible to induce structural transformations in a confined system by simply varying the number of molecules adsorbed in the pore. We found that the mechanism of these novel, adsorption-induced structural transformation in nano-pores differs from the capillary condensation. First, the structure of the confined gas is determined by a competition between adsorption sites attractive forces and intermolecular interaction. Second, at low temperature, the transformation is discontinuous because it is defined by limited number of adsorption sites [1,2]. The confined, equilibrium structures are not characterized by mean positions of molecules but rather by a probability distribution of molecular positions around adsorption centres. This distribution changes when the number of molecules in the pore increases. The character of transformation is temperature dependent: strongly discontinuous at low temperature, it evolves into a continuous transition when the temperature increases. The mechanism of the transformation is also modified when the size of the gas molecules and types of interaction change. In particular, we report the existence of the intermediate phase, observed only above a critical strength of the attractive interactions. This work was supported by the Polish National Science Centre (NCN, grant no. 2015/17/B/ST8/00099). The calculations have been partially performed at the WCSS computer center of The Wroclaw University of Science and Technology, grant no 33.