Metal-organiske rammer bliver fleksible

Anvendelsespotentialet for metal-organiske rammer blev først opdaget for omkring 20 år siden, og næsten 100, 000 sådanne hybrid porøse materialer er siden blevet identificeret. Der er store forhåbninger til tekniske applikationer, især for fleksible MOF'er. Som støddæmpere, for eksempel, de kunne reagere på pludseligt højt tryk ved at lukke deres porer og tabe volumen, dvs. deformere plastisk. Eller de kunne adskille kemiske stoffer fra hinanden som en svamp ved at absorbere dem i deres porer og frigive dem igen under pres. "Dette ville kræve meget mindre energi end den sædvanlige destillationsproces, "forklarer Rochus Schmid. Dog, kun få sådanne fleksible MOF'er er blevet identificeret til dato.

MOF'er under pres

For at komme til bunds i de underliggende mekanismer inden for sådanne materialer, München -teamet har udført en mere detaljeret eksperimentel analyse af en allerede kendt MOF. Til denne ende, forskerne udsatte det for ensartet pres fra alle sider, mens man observerer, hvad der foregår inde ved hjælp af røntgenstrukturanalyse.

"Vi ønskede at vide, hvordan materialet opfører sig under tryk, og hvilke kemiske faktorer der er drivkraften bag faseovergangene mellem tilstanden med åben pore og lukket por, "siger Gregor Kieslich. Eksperimentet viste, at formen med lukket pore ikke er stabil; under pres mister systemet sin krystallinske orden, kort sagt:det går i stykker.

Dette er ikke tilfældet med en variant af den samme grundstruktur:hvis teamet fastgjorde fleksible sidekæder af carbonatomer til de organiske forbindelsesstykker af MOF, der stikker ind i porerne, materialet forblev intakt, når det blev komprimeret og genoptog sin oprindelige form, når trykket faldt. Kulstofarmene gjorde det ikke-fleksible materiale til en fleksibel MOF.

Hemmeligheden ved fasetransformation

Bochum -teamet undersøgte de underliggende principper ved hjælp af computerkemi og molekylær dynamiksimuleringer. ”Vi har vist, at hemmeligheden ligger i sidekædenes frihedsgrader, den såkaldte entropi, "skitserer Rochus Schmid." Hvert system i naturen stræber efter den størst mulige entropi, for at sige det enkelt, det størst mulige antal frihedsgrader til at distribuere systemets energi. "

"Det store antal mulige arrangementer af carbonarmene i porerne sikrer, at MOF's åbne struktur er entropisk stabiliseret, "Schmid fortsætter." Dette letter en fasetransformation fra den åbne porede til den lukkede porestruktur og tilbage igen, i stedet for at bryde ned, når porerne presses sammen, som det ville være tilfældet uden kulstofarmene. "For at beregne et så stort system bestående af mange atomer og for at søge efter de mange mulige konfigurationer af armene i porerne, teamet udviklede en præcis og numerisk effektiv teoretisk model til simuleringen.

Nøgleresultatet af undersøgelsen er identifikation af en anden kemisk mulighed for at kontrollere og ændre den makroskopiske reaktionsadfærd for et intelligent materiale ved hjælp af en termodynamisk faktor. "Vores fund åbner nye måder for specifikt at opnå strukturelle fasetransformationer i porøse MOF'er, "slutter Gregor Kieslich.