Forskere sætter nyt spin på gammel teknik for at konstruere bedre absorberende materialer

Et team af bioingeniører fra University of Illinois har taget et nyt kig på et gammelt værktøj for at hjælpe med at karakterisere en klasse af materialer kaldet metalorganiske rammer - MOF'er for kort. MOF'er bruges til at opdage, rense og opbevare gasser, og kunne hjælpe med at løse nogle af verdens mest udfordrende energier, miljømæssige og farmaceutiske udfordringer - de kan endda trække vandmolekyler direkte fra luften for at hjælpe med tørken.

Forskerholdet, ledet af bioingeniørprofessor Rohit Bhargava, bruger infrarød kemisk billeddannelse til at undersøge og optimere strukturen af ​​MOF'er. Selvom det har eksisteret i mere end et årti, IR-billeddannelse er stærkt underudnyttet i materialeanalyse. Forskerne fandt ud af, at med nogle få ændringer for at forbedre analysehastigheden, det er det perfekte værktøj til denne applikation. Deres resultater er offentliggjort i Journal of Physical Chemistry Letters .

MOF'er er porøse krystaller i mikroskopisk skala fremstillet af metalioner bundet sammen af ​​organiske molekyler kaldet ligander. Selvom de er små, de har en enorm absorberende evne.

"Porerne gør det muligt for MOF'erne at arbejde som små svampe, der kan opsuge kemikalier såsom lægemidler og gasser, " sagde Sanghamitra Deb, en postdoc-forsker ved Beckman Institute for Advanced Science and Technology ved U. of I.

"Den præcise struktur og kemi af MOF'er har stor indflydelse på deres funktionalitet, " sagde Prabuddha Mukherjee, en Beckman Institute-forsker. "Derfor, detaljeret karakterisering er afgørende for at bestemme deres bedste brug."

De traditionelle metoder, der anvendes i materialevidenskabelig analyse, som højkraftig elektronmikroskopi og spektroskopi, kombinere ikke kemisk indsigt med den rumlige opløsning af IR-billeddannelse, sagde forskerne, så de kan kun give gennemsnitlige kemiske målinger.

MOF'er dannes ved at krystallisere ud af en opløsning, og der er ingen mulighed for fuldt ud at kontrollere deres struktur eller kemi. "Denne mangel på kontrol efterlader en masse plads til at defekter kan dannes, og de traditionelle metoder til karakterisering fortæller os kun, at der er en defekt, men kan ikke udpege den specifikke placering, " sagde Mukherjee.

"IR-billeddannelse giver os mulighed for at se kemien og strukturen i ét skud, " sagde Ayanjeet Ghosh, en postdoc ved Beckman Instituttet. "Vi kan opløse strukturer ned til nogle få mikron og bestemme deres kemiske sammensætning over et par mikrometer områder, forstå hvordan og hvorfor spektrene ændrer sig som en funktion af rummet, og gør det med en enkelt analyse."

IR-billeddannelse tilbyder også et unikt skalaområde at arbejde i, sagde forskerne.

"Vi behøver ikke at se ned på atomskalaen, som mange kraftige elektronmikroskopimetoder tilbyder, " sagde Deb. "På den skala, det ville tage meget lang tid at scanne enheder lavet med MOF'er, som typisk er omkring en millimeter i kvadrat."

Endelig, mange af de andre traditionelle teknikker er destruktive, hvilket betyder, at en gang analyseret med én metode, prøven kan ikke undersøges med yderligere værktøjer. "Vi kan muligvis se en aberration i kemien via spektroskopi, men vi har ikke mulighed for at se, hvor defekten faktisk eksisterer ved hjælp af en anden metode, fordi prøven nu er væk, " sagde Ghosh. "Med IR-billeddannelse, vi kan gøre begge dele på samme tid."

"Denne unikke brug af en ældre teknik, men med ny instrumentering, giver os mulighed for hurtigt at bestemme kvaliteten og den bedste anvendelse for specifikke MOF'er på en ikke-destruktiv måde - noget ingen anden gruppe har været i stand til at gøre, " sagde Mukherjee.

Gruppen forestiller sig, at denne teknik bliver brugt sammen med andre enheder fremstillet under lignende forhold, samt anvendelser uden for det materialevidenskabelige område.