Forskere dechifrerer strukturen af ​​lovende metalorganiske rammer

En klasse af materialer kaldet metalorganiske rammer, eller MOF'er, har tiltrukket sig betydelig interesse i løbet af de sidste mange år for en række potentielle energirelaterede applikationer - især siden forskere opdagede, at disse typiske isolerende materialer også kunne gøres elektrisk ledende.

Takket være MOFs ekstraordinære kombination af porøsitet og ledningsevne, denne opdagelse åbnede muligheden for nye applikationer i batterier, brændstofceller, superkondensatorer, elektrokatalysatorer, og specialiserede kemiske sensorer. Men processen med at udvikle specifikke MOF-materialer, der besidder de ønskede egenskaber, har været langsom. Det skyldes i høj grad, at det har været svært at finde ud af deres nøjagtige molekylære struktur, og hvordan det påvirker materialets egenskaber.

Nu, forskere ved MIT og andre institutioner har fundet en måde at kontrollere væksten af ​​krystaller af flere slags MOF'er. Dette gjorde det muligt at producere krystaller, der er store nok til at blive sonderet af en række tests, gør det muligt for teamet endelig at afkode strukturen af ​​disse materialer, som ligner de todimensionelle sekskantede gitter af materialer som grafen.

Resultaterne er beskrevet i dag i tidsskriftet Naturmaterialer , i et papir fra et hold på 20 ved MIT og andre universiteter i USA, Kina, og Sverige, ledet af W. M. Keck professor i energi Mircea Dincă fra MIT's Institut for Kemi.

Siden ledende MOF'er først blev opdaget for et par år siden, Dincă siger, mange teams har arbejdet på at udvikle versioner til mange forskellige applikationer, "men ingen havde været i stand til at få en struktur af materialet med så mange detaljer." Jo bedre detaljerne i disse strukturer forstås, han siger, "det hjælper dig med at designe bedre materialer, og meget hurtigere. Og det er, hvad vi har gjort her:Vi leverede den første detaljerede krystalstruktur ved atomopløsning."

Vanskeligheden ved at dyrke krystaller, der var store nok til sådanne undersøgelser, han siger, ligger i de kemiske bindinger inden for MOF'erne. Disse materialer består af et gitter af metalatomer og organiske molekyler, der har tendens til at danne sig til skæve nåle- eller trådlignende krystaller, fordi de kemiske bindinger, der forbinder atomerne i planet af deres sekskantede gitter, er sværere at danne og sværere at bryde. I modsætning, bindingerne i lodret retning er meget svagere og bliver ved med at bryde og reformere i en hurtigere hastighed, får strukturerne til at rejse sig hurtigere, end de kan sprede sig. De resulterende spinkle krystaller var alt for små til at blive karakteriseret ved de fleste tilgængelige værktøjer.

Holdet løste det problem ved at ændre den molekylære struktur af en af ​​de organiske forbindelser i MOF, så den ændrede balancen mellem elektrontæthed og den måde, den interagerer med metallet på. Dette vendte ubalancen i obligationsstyrkerne og vækstraterne, således at der kan dannes meget større krystalplader. Disse større krystaller blev derefter analyseret ved hjælp af et batteri af højopløsningsdiffraktionsbaserede billeddannelsesteknikker.

Som det var tilfældet med grafen, at finde måder at producere større ark af materialet på kunne være en nøgle til at frigøre potentialet i denne type MOF'er, Dincă siger. Til at begynde med kunne grafen kun fremstilles ved at bruge klæbrig tape til at fjerne enkeltatom-tykke lag fra en grafitblok, men over tid er der blevet udviklet metoder til direkte at producere ark, der er store nok til at være nyttige. Håbet er, at de teknikker, der er udviklet i denne undersøgelse, kan hjælpe med at bane vejen for lignende fremskridt for MOF'er, Dincă siger.

"Dette giver dybest set et grundlag og en plan for at lave store krystaller af todimensionelle MOF'er, " han siger.

Ligesom med grafen, men i modsætning til de fleste andre ledende materialer, de ledende MOF'er har en stærk retningsbestemt over for deres elektriske ledningsevne:De leder meget mere frit langs materialearkets plan end i den vinkelrette retning.

Denne ejendom, kombineret med materialets meget høje porøsitet, kunne gøre det til en stærk kandidat til at blive brugt som elektrodemateriale til batterier, brændstofceller, eller superkondensatorer. Og når dets organiske komponenter har bestemte grupper af atomer knyttet til sig, som binder til bestemte andre forbindelser, de kunne bruges som meget følsomme kemiske detektorer.

Grafen og den håndfuld andre kendte 2D-materialer har åbnet op for en bred vifte af forskning i potentielle anvendelser inden for elektronik og andre områder, men disse materialer har i det væsentlige faste egenskaber. Fordi MOF'er deler mange af disse materialers egenskaber, men danner en bred familie af mulige variationer med varierende egenskaber, de bør give forskere mulighed for at designe de specifikke slags materialer, der er nødvendige til en bestemt anvendelse, Dincă siger.

For brændselsceller, for eksempel, "du vil have noget, der har mange aktive steder" for reaktivitet på det store overfladeareal, som strukturen med dets åbne gitter giver, han siger. Eller for en sensor til at overvåge niveauer af en bestemt gas såsom kuldioxid, "du vil have noget, der er specifikt og ikke giver falske positiver." Disse slags egenskaber kan konstrueres gennem udvælgelsen af ​​de organiske forbindelser, der bruges til at fremstille MOF'erne, han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.