Sourav Sahas metal-organiske rammeforskning blev vist på forsiden af ACS Applied Materials &Interfaces den 18. marts, 2020. Kredit:Høflighed Sourav Saha
Metal-organiske rammer (MOF'er) er nye multifunktionelle materialer, der gradvist finder vej ud af forskningslaboratorierne og ind i et utal af applikationer i den virkelige verden. For eksempel, MOF'er kan opbevare farlige gasser, katalysere kemiske reaktioner, levere stoffer på kontrolleret måde, og kan endda bruges i genopladelige batterier og solceller.
Et team af forskere fra Clemson University's College of Science demonstrerede for nylig, at en ny dobbeltspiralformet MOF-arkitektur, i delvis oxideret form, kan lede elektricitet, der potentielt gør det til en næste generations halvleder.
Holdets resultater er beskrevet i papiret med titlen "The Advent of Electrically Conducting Double-Special Metal-Organic Frameworks Featuring Butterfly-shaped Electron-Rich π-Extended Tetrathiafulvalene Ligands, " som blev offentliggjort den 18. marts, 2020, som forsideartiklen i Anvendte materialer og grænseflader , et tidsskrift udgivet af American Chemical Society.
MOF'er består af en række metalioner forbundet med organiske ligander. Atomkonstrueret med stor præcision, de har meget ordnede gentagne enheder, der normalt udgør porøse strukturer.
Siden den første MOF blev bygget for over 20 år siden, forskere verden over har skabt mere end 20, 000 forskellige MOF'er lavet med en række forskellige metaller og organiske ligander.
Ifølge kemi-lektor Sourav Saha, de fleste eksisterende MOF'er er lavet af lineære eller plane ligander. Imidlertid, Saha og hans team introducerede en sommerfugleformet, konveks ligand til en MOF, hvilket resulterede i en ny dobbeltspiralformet struktur, der er i stand til at lede elektricitet, når den først er delvist oxideret af gæstejodmolekyler.
"Denne sommerfugleformede forlængede tetrathiafulvalene (ExTTF)-ligand har været kendt af kemisamfundet i et stykke tid, men det var ikke blevet indarbejdet i en MOF før, " sagde Saha. "Ved at introducere det i en dobbelt spiralformet MOF, vi kunne skabe unikke S-formede ladningstransportveje, der løber langs sømmene på nabostrengene. Når ExTTF-liganderne på den ene side af hver dobbeltspiralstreng oxideres af jod, og dem på den anden forbliver neutrale, de danner intermolekylære ladningsoverførselskæder langs sømmene. Elektroner kan flyde langs denne vej på en intermolekylær måde, gør MOF mere ledende."
Clemson kemiforskere demonstrerede for nylig en ny dobbeltspiralformet MOF-struktur, der er i stand til at lede elektricitet. Teammedlemmer er (højre mod venstre) kandidatstuderende Paola Benavides og Monica Gordillo, fakultetsmedlem Sourav Saha, og post-doc forsker Dillip Panda. Kredit:Clemson College of Science
Den kemistuderende Monica Gordillo i Dr. Sahas forskningsgruppe syntetiserede den dobbeltspiralformede MOF via en solvotermisk metode, ved at blande et zinksalt og ExTTF-liganden i et bestemt forhold. Hun opvarmede derefter blandingen i en ovn ved omkring 65 grader Celcius i 24 timer.
"Vi fik disse smukke tallerkenlignende orange krystaller, " sagde Gordillo. "For at opnå dette spændende materiale, vi justerede betingelserne for denne syntese, ændring af forholdet mellem opløsningsmidler, forholdet mellem ligander og metal (zink) ioner og temperaturen."
For at skabe en ladningstransportvej, der er i stand til at lede elektricitet, hun diffunderede joddamp ind i den porøse MOF, forårsager en streng til at blive elektronmangel, mens den anden forblev elektronrig.
Elektrisk ledende MOF'er kan have nogle fordele i forhold til konventionelle uorganiske halvledere fremstillet af silicium, gallium, eller arsenid, som er allestedsnærværende i logiske porte, hukommelseschips, og andre elektroniske applikationer. For eksempel, konventionelle halvledere syntetiseres ved temperaturer mellem 500 og 1, 000 grader Celsius.
"På den anden side, MOF'er kan laves på en mere energieffektiv måde end uorganiske halvledere, " sagde Saha. "De kan syntetiseres overalt mellem stuetemperatur og 150 grader Celsius, samtidig med at den højt ordnede krystallinske struktur, som konventionelle halvledere har."
Saha og hans team planlægger at fortsætte med at udvikle nye MOF-arkitekturer med forskellige geometrier, kompositioner, og funktioner, der kan have anvendelse i fremtidens elektronik og energikonverterings- og lagringsenheder.