Negative termiske ekspansionsdesignstrategier i metal-organiske rammer

I en undersøgelse netop offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Avancerede funktionelle materialer , et team af amerikanske og hollandske forskere præsenterer designstrategier til justering af den termiske ekspansionsadfærd af mikroporøse Metal-Organic Frameworks (MOF'er). I særdeleshed, Evnen til at realisere negative termiske ekspansionskoefficienter er af stor relevans for den potentielle anvendelse af MOF'er - for eksempel ved materialegrænseflader, hvor de kunne forhindre revner og afskalning. Dr. David Dubbeldam og Dr. Jurn Heinen fra Van 't Hoff Instituttet for Molekylær Videnskab (HIMS) på Amsterdam Universitet bidrog til forskningen, som omfattede både eksperimentelt arbejde og computersimulering.

I kondenseret stof, en stigning i temperaturen fører generelt til en stigning i volumen. I applikationer, hvor materialer placeres i begrænsede miljøer, dette fænomen med positiv termisk ekspansion (PTE) kan forårsage betydelig stress eller endda katastrofal fejl i enheden. Ved materialegrænseflader i belægninger eller film, et misforhold i termiske ekspansionsegenskaber kan føre til revner og afskalning. Tilgængeligheden af ​​materialer med skræddersyet termisk ekspansionsadfærd ville afbøde sådanne problemer og være af væsentlig værdi for en række andre materialedesign- og tekniske udfordringer.

MOF'er som en ny klasse af materialer med negativ termisk udvidelse

Metal-organiske rammer (MOF'er) forventes at udvise udbredt negativ termisk udvidelse (NTE), til dels på grund af deres nano-porøsitet og fleksible rammekarakteristika. De er særligt spændende som NTE-materialer, da de tilbyder stor designfleksibilitet - en egenskab, der adskiller dem fra NTE-zeolitmaterialer. MOF'er dannes ved samling af en lang række uorganiske noder og multitopiske organiske ligander. Sidstnævnte muliggør også en større grad af strukturel fleksibilitet, som yderligere kan fremme deres potentiale for at udstille NTE i stor skala.

Designstrategier til at skræddersy termisk ekspansion i mikroporøse MOF'er

MOF-designstrategierne er nu offentliggjort i Avancerede funktionelle materialer er resultatet af en amerikansk/hollandsk samarbejde, hvor eksperimentel forskning ved Sandia Labs (Livermore, Californien, U.S.) og Georgia Tech (Atlanta, Georgien, U.S.) blev understøttet af computersimuleringer udført af Dr. Jurn Heinen og Dr. David Dubbeldam fra Computational Chemistry-gruppen ved Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (Amsterdam, Holland). Heinen sluttede sig også til hovedforfatteren Nicholas Burtch (Sandia) i at indsamle synkrotron-strålingsdiffraktionsdata på mange MOF-prøver ved Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory (Lemont, Illinois, OS.).

Ved selvstændigt at variere metallet, ligand, topologi, og gæstearter, forskerne etablerede, hvordan MOF's termiske ekspansionskarakteristika kan justeres i positiv eller negativ retning. De præsenterer forskellige designstrategier til at skræddersy MOF termisk ekspansionsadfærd ved at variere deres strukturelle egenskaber og gæstemiljø, som opsummeret i figuren nedenfor.

Forskerne udgiver også en kortfattet udvælgelsesvejledning for isotropiske NTE-materialer baseret på gennemsnitlige værdier af termisk udvidelseskoefficient rapporteret for udvalgte materialer over forskellige temperaturområder. Afhængigt af målapplikationen, MOF'er kan give fordele i forhold til traditionelle materialeklasser, der inkluderer et udvidet område, som NTE er udstillet over, forbedret kemikalie, mekanisk, og termiske stabilitetsegenskaber og, på grund af deres porøsitet, udnyttelsen af ​​gæstemiljøet som en termisk ekspansionskontrolstrategi. Et stort designrum kan dækkes gennem yderligere karakterisering af de tusindvis af MOF'er, der allerede er blevet syntetiseret og rapporteret om i litteraturen. Imidlertid, før de bliver anvendelige i kompositmaterialeapplikationer, der skal udføres undersøgelser af, hvordan den negative termiske udvidelse i nanoskala (krystallografisk) fundet i MOF'er oversættes til en reduktion af termisk udvidelseskoefficient på makroskopisk (bulk) skala.

Mere generelt, en grundlæggende forståelse af MOF termisk ekspansion er afgørende for at fremme deres anvendelse i en bred vifte af potentielle applikationer, der inkluderer coatede monolitter, mikrocantilever sensorer, og elektroniske enheder. I hvert af disse scenarier, ændringer i temperatur vil opstå, og et misforhold i den gennemsnitlige termiske udvidelseskoefficient for MOF'en og dens substratmateriale vil producere resterende spændinger, der kan føre til revne- og afskalningsadfærd eller kompromittere adhæsionen mellem MOF'en og dets grænsefladelag.