Når et porøst fast stof bevarer sine egenskaber i flydende form

Kendt for deres enestående porøsitet, der muliggør indfangning eller transport af molekyler, metal-organiske rammer (MOF'er) har form af et pulver, hvilket gør dem svære at formatere. For første gang, et internationalt hold ledet af videnskabsmænd fra Institut de recherche de Chimie Paris (CNRS/Chimie ParisTech) har bevist en type MOF's overraskende evne til at bevare sine porøse egenskaber i væske- og derefter glastilstand. Udgivet i dag i Naturmaterialer , disse resultater åbner vejen for nye industrielle applikationer.

Metal-organiske rammer (MOF'er) udgør en særlig lovende klasse af materialer. Deres enestående porøsitet gør det muligt at opbevare og adskille store mængder gas, eller at fungere som katalysator for kemiske reaktioner. Imidlertid, deres krystallinske struktur indebærer, at de er fremstillet i pulverform, som er svær at opbevare og bruge til industrielle applikationer. For første gang, et hold af videnskabsmænd fra CNRS, Chimie ParisTech, Cambridge University, Air Liquide og ISIS (UK) og Argonne (US) synkrotroner har vist, at egenskaberne af en zeolitisk MOF uventet blev bevaret i væskefasen (hvilket generelt ikke favoriserer porøsitet). Derefter, efter afkøling og størkning, det opnåede glas antog en uorden, ikke-krystallinsk struktur, der også bibeholdt de samme egenskaber med hensyn til porøsitet. Disse resultater vil muliggøre formning og anvendelse af disse materialer meget mere effektivt end i pulverform.

For at opnå dette, forskerne brugte neutrondiffraktion og røntgenstråler til at observere strukturen af ​​MOF efter smeltning, når den var i flydende fase. De korrelerede disse data med molekylære simuleringer, der reproducerede de samme temperaturforhold som dem, der blev anvendt på MOF'en under smeltning. Kombinationen af ​​de to metoder gjorde det muligt for dem at beskrive de strukturelle ændringer, der påvirker materialet, da det gik ind i væskefasen og derefter størknede igen. Det er således lykkedes dem at demonstrere en atypisk mekanisme. Det undersøgte MOF bestod af pyramideformede molekylære rammer, hver bestående af et zinkatom omgivet af fire cykliske, organiske molekyler kaldet imidazolater. Ved smeltning, den energi, der blev genereret af temperaturstigningen, var i stand til at nedbryde forbindelsen mellem et imidazolat og zink, dermed ødelægge den pyramideformede ramme. Det resulterende rum blev derefter optaget af en anden imidazolatcyklus frigivet af en naboramme for at genskabe den oprindelige struktur. Det er disse molekylære udvekslinger mellem komplekse strukturer, der gav MOF dens flydende karakter.

I tilfælde af denne særlige MOF, porøsitet skyldes tilstedeværelsen af ​​mellemrum mellem de pyramideformede strukturer, der kunne fyldes med gasser. Fordi MOF bibeholdt den samme pyramideformede struktur i flydende tilstand, dens porøsitet blev således opretholdt. Samt denne MOF's evne til at bevare sine egenskaber efter smeltning, denne undersøgelse beskriver tilfældet med en porøs væske, hvoraf meget få optræder i litteraturen.