Gæstejustering og defektdannelse under porefyldning i metal-organiske rammefilm

De fleste tænker ikke over, hvordan molekyler passer ind i de ultrasmå mellemrum mellem andre molekyler, men det er, hvad professor Masahide Takahashis forskerhold tænker på hver dag på Osaka Metropolitan University. De studerer metal-organiske rammer (MOF'er), der er sammensat af modulært arrangerede metalioner og molekyler (organiske linkere), der danner et stillads. Metalioner fungerer som hjørner forbundet med længere organiske linkere. En MOF kan laves ved hjælp af forskellige metaller og organiske linkere, så de kan designes til specifikke kemiske/fysiske egenskaber, attraktive for belægningssensorer i optiske og elektroniske enheder. Dette skyldes, at MOF-stilladset efterlader en masse intern plads åben. Disse porer kan være vært for adskillige gæstemolekyler, der kan få adgang til MOF'ernes enorme indre overfladeareal, hvilket gør dem ideelle til udvikling af katalytiske materialer, gaslagring, gasseparation og miljøsanering.

Ved at bruge et spektrometer til at måle MOF og gæstemolekyleabsorbansen af ​​to forskelligt polariserede typer infrarødt lys, er forskerholdets metode den første til at måle både gæst-gæst og gæst-vært-interaktioner og gøre det i realtid. Infrarød spektroskopi er almindeligt anvendt i laboratorier, og de tilføjelser, der kræves til lyspolarisering, bruger minimale materialer, herunder let replikerbare 3D-printede komponenter. Dette repræsenterer et stort fremskridt inden for MOF-studiet, hvilket gør det langt mere tilgængeligt sammenlignet med den tidligere anvendte røntgendiffraktion eller solid-state nuklear magnetisk resonansspektroskopi.

En unik egenskab ved MOF'er er, at de kan ændre deres ledningsevne og fotoluminescens ved at øge eller formindske antallet af gæstemolekyler, der er hostet i deres porer. Når de er tæt pakket ind, kan gæstemolekylerne justeres, hvilket skaber retningsafhængige forskelle til lysabsorption og elektrisk modstand. Forskerne opfandt dette fænomen "sardindåse"-effekten, fordi molekylerne i gasser ikke altid er runde, forskelligt formede gasmolekyler fungerer ofte som "sardiner", når de er indespærret i en nanopore "dåse". Når lange molekyler tilsættes, støder de ind i hinanden, indtil de er side om side, effektivt pakket og peger i samme retning ligesom sardinerne.

Hvis du ville skinne et lys gennem siden af ​​en klar sardindåse, kunne du få en god idé om, i hvilken retning sardinerne blev justeret baseret på deres skygger. Men MOF-filmene og gæstemolekylerne er for små til at kaste skygger, så forskerne brugte en anden egenskab ved lys:polarisering. Forskerne brugte infrarødt lys i to polariseringer og målte absorbansen af ​​gæstemolekylet for hver polarisering separat. Da partialtrykket af gassen i MOF-filmen blev øget, begyndte gæstemolekylerne at justere sig, hvilket øgede absorbansen af ​​en polarisering.

Dette gjorde det muligt for forskerne at finde det partielle tryk, hvor værtsmolekylerne justerede sig, og hvordan de interagerede ved forskellige tryk. De molekylære bindinger mellem forskellige atomer absorberer specifikke bølgelængder af infrarødt lys. Ved at sammenligne hvilke af de polariserede bølgelængder, der blev absorberet, kunne forskerne bestemme den retning, molekylerne i MOF-filmen pegede på. Ved højere tryk, når MOF-porerne var fulde, opdagede de også defekter, der begyndte at dukke op i MOF-stilladset på grund af tilstedeværelsen af ​​gæstemolekylerne. Da gæstemolekylerne blev fjernet, vendte defekterne, hvilket gav den første klare observation af interaktioner mellem gæste- og værtsmolekyler i MOF.

Disse resultater, offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition , er kun begyndelsen, da denne teknik kan bruges til at studere forskellige MOF-film og gæstemolekyle-interaktioner i realtid. Denne nye grænse for materialevidenskab har potentialet til at løse mange af humaniora's fremtidige udfordringer. "Disse resultater afklarer, hvordan molekyler kommer ind i nanoporer, og hvordan de er justeret. Baseret på denne teknik kan vi forvente at udvikle højtydende porøse materialer," konkluderede Dr. Bettina Baumgartner. + Udforsk yderligere

Falder i kø:Det enkle design og styring af MOF elektrisk flow