Fremtidens MOF'er:Konvertering af krystallinske metal-organiske rammer til glas eller væske

Metal-organiske rammer (MOF'er) er porøse, krystallinske materialer, der kan fange forbindelser i deres molekylære hulrum, giver dem en bred vifte af applikationer inden for gaslagring og -separering, kulstofopsamling, og i katalyse af kemiske reaktioner, for at nævne et par stykker. En ny række applikationer bliver nu undersøgt ved at konvertere krystallinske MOF'er til flydende og/eller glasagtige tilstande.

"MOF'er er en relativt ny klasse af materiale, og de fleste af dem, der er udviklet i de sidste 20 år, er i krystallinsk tilstand, " siger Satoshi Horike, en materialeforsker ved Kyoto University's Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS). "For nylig, vi har fundet ikke-krystallinske glas eller flydende tilstande i MOF'er og foreslår, at de har et stort potentiale som fremtidige materialer."

Horike gennemgik de seneste fremskridt og perspektiver på området, sammen med materialekemiker Susumu Kitagawa og kolleger til tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition .

Titusinder af MOF'er er blevet syntetiseret, siden de først blev opdaget i slutningen af ​​1990'erne. Teknologiske fremskridt giver nu forskere mulighed for at afdække, hvad der sker på molekylært niveau, når nogle MOF'er opvarmes til et smeltepunkt og derefter afkøles for at producere en glaslignende tilstand. Indtil nu, forskere har rapporteret omkring ti MOF'er, der kan smeltes til en væske og/eller omdannes til en glastilstand. Deres smeltetemperaturer varierer fra 184°C til 593°C, afhængig af deres krystalstruktur.

Når denne type MOF opvarmes, dets metalioner og organiske ligander begynder at slingre i krystallerne, når materialet smelter. Bindingsafstandene i dets polymerkæder forlænges også, når temperaturen fortsætter med at stige. Strukturen af ​​en MOF's krystallinske tilstand er meget ordnet. Glastilstanden har en mellemrækkefølge, "hvor forbindelserne går i stykker, men dele af den udvidede struktur forbliver generelt på plads. Meget mere molekylær fragmentering opstår, når en MOF når den flydende tilstand, men noget af dets indre struktur bevarer et element af forbindelse.

Ikke alle disse MOF'er kan omdannes til glas ved at afkøle deres flydende tilstand. Nogle kræver en mekanisk slibelignende behandling for at der dannes glas. Under denne proces, tilføjelse af visse kemikalier til materialet kan modulere nogle af dets fysiske egenskaber, såsom forbedring af protonledningsevne.

Væske og glas MOF'er kunne give en ny tilstand af materiale, der demonstrerer porøsitet, ionledningsevne, og optiske egenskaber såsom luminescens. De viser også løfte om varmelagring, i energienheder, og for gasgennemtrængning. Hybridmaterialer, der inkorporerer glas eller flydende MOF'er med andre materialer, såsom organiske polymerer, metal partikler, eller metalioner, kunne bruges som stærke klæbemidler i energiapparater eller i katalytiske reaktioner.

Forskerne foreslår, at forskerne bør gense det enorme bibliotek, der er tilgængeligt for krystallinske MOF'er fra synspunktet om faseændring til væske og/eller glas. Dette kan føre til design af nye funktionelle materialer.