Blanding af flydende MOF'er producerer nye glasmaterialer

Metal-organiske rammer (MOF'er) er en klasse af krystallinske materialer med en struktur af uorganiske noder forbundet med organiske ligander. Der er i øjeblikket mere end 60, 000 kendte MOF'er, og de bliver undersøgt som lovende materialer til gaslagring, herunder CO2-binding og brintlagring, og kan endda bruges til at høste vand i ørkenen. Forskningen har hidtil koncentreret sig om MOF'er i fast tilstand, men disse bløde, mikrokrystallinske pulvere er svære at forarbejde industrielt, da de ikke kan sintres og er svære at forme til pellets.

Mærkeligt nok, flere eksempler på smeltning af krystallinske MOF-strukturer er blevet observeret, sammen med dannelsen af ​​en væske med identisk sammensætning med moderstrukturen. Afkøling af disse væsker resulterer derefter i en ny familie af gasser. Den grundlæggende nyhed i flydende og glas MOF siger, sammenlignet med deres mere kendte krystallinske tilstande, provokerede tidlig forskning1 i reaktiviteten af ​​den flydende tilstand, og især hvordan en flydende MOF kan interagere med en anden MOF-komponent.

At undersøge, et internationalt team af forskere bragte et par krystallinske MOF'er (ZIF-4 og ZIF-62) til Diamond, udfører forskning i deres adfærd under opvarmning, på I22 og I15-1 beamlines. Deres resultater, for nylig udgivet i Naturkommunikation , vise, at den flydende MOF-tilstand kan blandes med en anden MOF-komponent for at danne et MOF-glas med en skræddersyet glasovergang.

Brug af nye teknikker til at undersøge amorfe MOF'er

Dr. Tom Bennett er materialekemiker. Forskningen i hans gruppe er fokuseret på syntesen, karakterisering og anvendelse af ikke-krystallinske MOF'er, og især MOF-væsker og MOF-glas. Hans mål er todelt:at diversificere MOF-forskningen væk fra et rent fokus på den krystallinske tilstand, og at udforske feltets grænseflader med briller, ioniske væsker, og polymerer. I denne forskning, hans hold brugte in situ eksperimenter på Diamond til at undersøge to MOF-komponenter smeltet sammen, følges med temperaturen.

At undersøge, hvordan to amorfe MOF-komponenter interagerer, er utroligt komplekst, kræver nye teknikker, og forskergruppen har brugt I15-1 beamline før, at producere parfordelingsfunktioner (PDF'er) af deres materialer. En PDF angiver afstande, over hvilke to atomer er adskilt på en gentagen skala, uanset om materialet er krystallinsk eller ej.

Ideen om at bruge små og vidvinkel røntgenspredning (SAXS og WAXS) på disse materialer blev først rejst af I22-strålelinjeforskeren Dr. Andy Smith.

In-situ SAXS- og WAXS-målinger blev taget under opvarmning af de to MOF'er sammen, og påvist dannelse af en væske fra én komponent, og et amorft fast stof fra den anden. Målingerne viste også koalescens af partikler sammen, bekræfter, sammen med differentielle scanningskalorimetriresultater, at de to MOF-komponenter var blandet sammen - på en måde kendt i den organiske polymerverden, men ikke i MOF'er. XPDF-målinger blev brugt på de genvundne 'MOF-blandinger', og bekræftede tilstedeværelsen af ​​metal-ligand-forbindelsen forbundet med MOF-tilstanden.

Dr. Smith forklarer:

I modsætning til mange af Diamonds teknikker kan vi ikke se individuelle atomer med SAXS, da teknikken fungerer i længere længdeskalaer, dem af store molekyler eller molekylære samlinger. I dette arbejde var vi i stand til at bruge SAXS til at se ændringerne, der opstår, når mikrokrystallerne af MOF smeltede til den glasagtige tilstand og korrelere dette med samtidige WAXS-data, der viser det gradvise tab af krystallinitet. Kombination af SAXS/WAXS på I22 med PDF-målinger på I15-1 giver en bedre forståelse af disse komplekse materialer under behandlingsforhold. Det er et område, vi håber at kunne arbejde meget mere i."

En anden nyskabelse var at bruge ex situ energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) til at give elementspecifikke resultater, og EDS-tomografi. De resulterende 3-D-billeder viser, at de to MOF-faser binder på tværs af grænsefladen mellem dem, i en ligandbytteproces. De to MOF'er, der blev brugt i disse eksperimenter, var ret tyktflydende; yderligere eksperimenter viste, at start med mindre partikler af de krystallinske MOF'er resulterede i en større grad af blanding, eller blanding.

Hvad er det næste for flydende MOF'er?

De næste trin for denne forskning er at undersøge, hvilke MOF'er, der kan blandes sammen for at lave nyttige nye materialer.

Dr. Bennett føler, at der stadig er meget at lære om amorfe MOF'er. "MOF-glas og MOF-væsker har så meget potentiale, og der er masser af plads til input fra andre felter, inklusive briller, ioniske væsker, og polymerer. Det er sandsynligt, at mange andre forskere har dannet amorfe eller flydende MOF'er, mens de søger efter en ny krystalstruktur, men så smidt dem væk. I virkeligheden, disse ikke-krystallinske tilstande kan vise sig at være lige så, hvis ikke mere, interessant end selve krystallerne. Feltet er kun lige begyndt, og jeg er meget interesseret i at samarbejde med forskere fra andre domæner, " siger han. Han finder Twitter et nyttigt værktøj, både for samarbejde og for at engagere sig med mennesker generelt.