Kemiske karyatider forbedrer stabiliteten af ​​metalorganiske rammer

Metal-organiske rammer (MOF'er) er materialer med porer i nanostørrelse i deres krystalstrukturer. Disse porer gør det muligt for MOF'er at fange molekyler så effektivt, at de nu er hovedkandidater i applikationer som kulstoffangst og vandfiltrering.

Udfordringen med MOF'er er deres mekaniske stabilitet. Materialerne er sårbare over for fysisk og kemisk stress, som kan påvirke deres struktur og, ultimativt, deres præstation. Fordi mange MOF-applikationer involverer cykling mellem forskellige temperaturer, varierende tryk, og andre kemiske molekyler, der udøver kapillære kræfter, det er blevet altafgørende for feltet, at MOF'er har tilstrækkelig mekanisk stabilitet.

Nu, laboratoriet af Berend Smit ved EPFL Sion med Lev Sarkisov fra University of Edinburgh har opdaget, hvordan de mekaniske egenskaber af MOF'er relaterer til deres struktur, hvilket længe har været en hindring for at optimere materialernes stabilitet.

Til denne undersøgelse, forskerne fokuserede på en populær type MOF'er kaldet "zeolitiske imidazolatrammer, "som bruges til kulstoffangst, katalyse, og endda nogle lægemiddelleveringsstrategier. Holdet udviklede software, der genererer kemiske strukturer til at designe et stort antal af disse MOF'er med forskellige molekylære strukturer. Ved at studere disse, de var i stand til at udtrække principper, der forbinder de mekaniske egenskaber af en MOF til dens struktur, samt designmaterialer med forbedret mekanisk stabilitet.

Forskerne "dekorerede" derefter de organiske dele af MOF'erne med en række funktionelle grupper, et udtryk, der refererer til grupper af atomer, der giver molekylet (i dette tilfælde, MOF) specifikke karakteristiske egenskaber. Denne del af undersøgelsen viste, at afhængigt af porestrukturen, de samme funktionelle grupper kan enten hærde en MOFs struktur og forbedre dens mekaniske stabilitet, eller blødgør den og gør den ustabil.

Nøglen til virkningerne af funktionelle grupper ligger i det, der kaldes "ikke-bundne interaktioner, " som forekommer mellem atomer uden kemisk binding. Ikke-bundne interaktioner omfatter elektrostatiske og Van der Waals-interaktioner - sidstnævnte styrer dannelsen af ​​vanddråber.

EPFL-forskerne fandt ud af, at ikke-bundne interaktioner spiller en vigtig rolle i stivheden af ​​MOF'er. Dette betyder, at strategisk placerede funktionelle grupper kan hjælpe med at justere den mekaniske stabilitet af en MOF ved at indføre ekstra forbindelse mellem dens atomer via ikke-bundne interaktioner.

Forfatterne beskriver de funktionelle grupper, der hjælper med at bære den mekaniske belastning, der påføres MOF, som "kemiske karyatider, "med henvisning til statuerne af kvinder, der fungerede som støttesøjler for strukturer i det antikke Grækenland, mest berømte dem fra Erechtheion på Akropolis i Athen.

"Tilføjelsen af ​​en funktionel gruppe kan se ud som en dekoration, men hvis det er strategisk placeret, det giver en væsentlig forstærkning af MOF-strukturen, " siger Berend Smit "I vores laboratorium, vi har udviklet softwaren, som eksperimentelle grupper kan bruge til at forudsige, om tilføjelse af forskellige funktionelle grupper forbedrer den mekaniske stabilitet af deres materiale."