To simple byggeklodser producerer komplekst 3D-materiale

Forskere fra Northwestern University har bygget et strukturelt komplekst materiale fra to simple byggesten, der er den metal-organiske ramme med laveste tæthed, der nogensinde er lavet.

Styret af designregler udviklet af forskerne, uranatomer og organiske linkere samler sig selv til en smuk krystal - en stor, luftigt 3D-net af meget rummelige og nyttige porer. Porerne er så rummelige, faktisk, at forskerne har puttet et stort enzym inde i en pore - ikke en lille bedrift. Materialet kan fungere som et beskyttende stillads for enzymer.

"Vi bygger med ét-atoms præcision, " sagde Omar K. Farha, en forskningsprofessor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences, der ledede forskningen. "Vores materiale begynder på niveau med individuelle atomer, målt ved angst, og ender på hundredvis af mikron niveau, hvor vi kan holde den lille krystal med en pincet og se den med det blotte øje."

Undersøgelsen blev offentliggjort i magasinet den 12. maj Videnskab .

Materialet er meget let, på trods af at det er lavet af uran, et af de tungeste grundstoffer i det periodiske system. (Forskerne brugte uran 238, en ikke-radioaktiv isotop.) Uranatomerne er så langt væk fra hinanden i strukturen, at den metal-organiske ramme (MOF) tager den laveste tæthed titlen fra nogen af ​​konkurrenterne.

"Det er kontraintuitivt, " sagde Farha, der har specialiseret sig i det rationelle design af MOF'er til katalyse, registrerings- og lagringsapplikationer.

"Dette materiale er ikke blevet set eller forudsagt før. På trods af dets enkle begyndelse, vores MOF's struktur har en strukturel kompleksitet uden sidestykke. Og vi har lige ridset overfladen af ​​at bygge sofistikerede strukturer ved hjælp af simple byggeklodser."

Opdagelsen afslører potentialet til at skabe generelle designregler for selvsamling af åbne, komplekse strukturer fra simple byggesten, samtidig med at de fremhæver potentialet af aktinider, såsom uran, i materialesyntese, sagde Farha.

Forskere kan nu anvende det nye sæt designregler for bottom-up-konstruktion til at syntetisere forskellige nye materialer med foruddesignede og forudsigelige komplekse strukturer.

Metalorganiske rammer er velordnede, gitterlignende krystaller. Knuderne i gitteret er metaller, og organiske molekyler forbinder noderne. Den nye MOF, kaldet NU-1301, består kun af uranoxidknuder og tricarboxylat organiske linkerenheder. Denne enkelhed gør MOF industrielt relevant.

Ud over den strukturelle kompleksitet, NU-1301 har et meget stort overfladeareal, porevolumen og vandstabilitet og kan bruges til at adskille små organiske molekyler og store biologiske molekyler, eller enzymer, baseret på deres størrelser og afgifter.

Hver enhedscelle - den grundlæggende enhed, der gentager sig i tre dimensioner for at skabe krystalstrukturen - er sammensat af 816 uran noder og 816 organiske linkere. En enhedscelle måler 173 ångstrøm på tværs, og det bliver ved med at gentage sig selv. Enhedscellerne samles i femkanter og sekskanter, til sidst vokser til en krystal, der kan blive en kvart millimeter bred.

Papiret har titlen "Bottom-up konstruktion af en overbygning i en porøs uran-organisk krystal."