Wetenschappers van de Northwestern University hebben een structureel complex materiaal opgebouwd uit twee eenvoudige bouwstenen, het metaal-organische raamwerk met de laagste dichtheid dat ooit is gemaakt.

Geregisseerd door ontwerpregels ontwikkeld door de wetenschappers, uraniumatomen en organische linkers assembleren zichzelf tot een prachtig kristal - een groot, luchtig 3D-net met zeer ruime en nuttige poriën. De poriën zijn zo ruim, in feite, dat de wetenschappers een groot enzym in een porie hebben genesteld - geen geringe prestatie. Het materiaal kan fungeren als een beschermende steiger voor enzymen.

"We bouwen met een atoomprecisie, " zei Omar K. Farha, een onderzoeksprofessor scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences die het onderzoek leidde. "Ons materiaal begint op het niveau van individuele atomen, gemeten door angstrom, en eindigt op het niveau van honderden microns, waar we het kleine kristal met een pincet kunnen vasthouden en met het blote oog kunnen zien."

De studie werd gepubliceerd in het nummer van 12 mei van het tijdschrift Wetenschap .

Het materiaal is erg licht, ondanks dat het van uranium is gemaakt, een van de zwaarste elementen in het periodiek systeem. (De wetenschappers gebruikten uranium 238, een niet-radioactieve isotoop.) De uraniumatomen zijn zo ver van elkaar verwijderd in de structuur dat het metaal-organische raamwerk (MOF) de titel met de laagste dichtheid heeft van alle concurrenten.

"Het is contra-intuïtief, " zei Farha, die gespecialiseerd is in het rationeel ontwerpen van MOF's voor katalyse, detectie- en opslagtoepassingen.

"Dit materiaal is nog niet eerder gezien of voorspeld. Ondanks het eenvoudige begin, De structuur van onze MOF heeft een ongeëvenaarde structurele complexiteit. En we hebben net het oppervlak bekrast van het bouwen van geavanceerde structuren met behulp van eenvoudige bouwstenen."

De ontdekking onthult het potentieel om algemene ontwerpregels te creëren voor zelfassemblage van open, complexe structuren van eenvoudige bouwstenen en benadrukt tegelijkertijd het potentieel van actiniden, zoals uranium, bij de synthese van materialen, zei Farha.

Onderzoekers kunnen nu de nieuwe set ontwerpregels voor bottom-up constructie toepassen om verschillende nieuwe materialen te synthetiseren met vooraf ontworpen en voorspelbare complexe structuren.

Metaal-organische raamwerken zijn goed geordend, roosterachtige kristallen. De knopen van de roosters zijn metalen, en organische moleculen verbinden de knopen. De nieuwe MOF, genaamd NU-1301, bestaat alleen uit uraniumoxideknopen en tricarboxylaat organische linker-eenheden. Deze eenvoud maakt de MOF industrieel relevant.

Naast de structurele complexiteit, NU-1301 heeft een zeer groot oppervlak, porievolume en waterstabiliteit en kan worden gebruikt om kleine organische moleculen en grote biologische moleculen te scheiden, of enzymen, op basis van hun afmetingen en kosten.

Elke eenheidscel - de basiseenheid die zich in drie dimensies herhaalt om de kristalstructuur te creëren - is samengesteld uit 816 uraniumknopen en 816 organische linkers. Eén eenheidscel meet 173 angstrom over, en het blijft zich herhalen. De eenheidscellen assembleren in vijfhoeken en zeshoeken, uiteindelijk uitgroeien tot een kristal dat een kwart millimeter breed kan worden.

Het artikel is getiteld "Bottom-up constructie van een bovenbouw in een poreus uranium-organisch kristal."