Een team van bio-ingenieurs van de Universiteit van Illinois heeft een nieuwe kijk genomen op een oud hulpmiddel om een ​​klasse materialen te helpen karakteriseren die metaalorganische raamwerken worden genoemd - kortweg MOF's. MOF's worden gebruikt om te detecteren, gassen zuiveren en opslaan, en zou kunnen helpen bij het oplossen van enkele van 's werelds meest uitdagende energie, milieu- en farmaceutische uitdagingen - ze kunnen zelfs watermoleculen rechtstreeks uit de lucht halen om verlichting te bieden bij droogte.

Het onderzoeksteam, onder leiding van bio-ingenieursprofessor Rohit Bhargava, gebruikt infrarood chemische beeldvorming om de structuur van MOF's te onderzoeken en te optimaliseren. Hoewel al meer dan een decennium, IR-beeldvorming wordt sterk onderbenut bij materiaalanalyse. De onderzoekers ontdekten dat met een paar aanpassingen om de analysesnelheid te verbeteren, het is de perfecte tool voor deze toepassing. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry Letters .

MOF's zijn poreuze kristallen op microscopische schaal die zijn gemaakt van metaalionen die aan elkaar zijn gebonden door organische moleculen die liganden worden genoemd. Ook al zijn ze klein, ze hebben een enorm absorptievermogen.

"Door de poriën kunnen de MOF's werken als kleine sponzen die chemicaliën zoals farmaceutische producten en gassen kunnen opnemen, " zei Sanghamitra Deb, een postdoctoraal onderzoeker aan het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de U. of I.

"De precieze structuur en chemie van MOF's hebben een grote invloed op hun functionaliteit, " zei Prabuddha Mukherjee, een onderzoeker van het Beckman Instituut. "Daarom, gedetailleerde karakterisering is essentieel bij het bepalen van hun beste gebruik."

De traditionele methoden die worden gebruikt in materiaalwetenschappelijke analyse, zoals krachtige elektronenmicroscopie en spectroscopie, combineer geen chemische inzichten met de ruimtelijke resolutie van IR-beeldvorming, zeiden de onderzoekers, dus ze kunnen alleen gemiddelde chemische metingen leveren.

MOF's worden gevormd door uit een oplossing te kristalliseren, en er is geen manier om hun structuur of chemie volledig te beheersen. "Dit gebrek aan controle laat veel ruimte voor het ontstaan ​​van defecten, en de traditionele methoden voor karakterisering vertellen ons alleen dat er een defect is, maar kunnen de specifieke locatie niet lokaliseren, ' zei Mukherjee.

"IR-beeldvorming stelt ons in staat om de chemie en de structuur in één keer te zien, " zei Ayanjeet Ghosh, een postdoctoraal onderzoeker bij het Beckman Instituut. "We kunnen structuren tot op enkele microns oplossen en hun chemische samenstelling bepalen over een paar micron-gebieden, begrijpen hoe en waarom de spectra veranderen als functie van de ruimte, en doe het met een enkele analyse."

IR-beeldvorming biedt ook een uniek schaalbereik om in te werken, aldus de onderzoekers.

"We hoeven niet tot op atomaire schaal te kijken, zoals veel krachtige elektronenmicroscopiemethoden bieden, " zei Deb. "Op die schaal, het zou erg lang duren om apparaten te scannen die met MOF's zijn gemaakt, die typisch ongeveer een millimeter in het kwadraat zijn."

Eindelijk, veel van de andere traditionele technieken zijn destructief, wat betekent dat eenmaal geanalyseerd met één methode, het monster kan niet worden onderzocht met extra hulpmiddelen. "Misschien kunnen we via spectroscopie een aberratie in de chemie opsporen, maar we hebben niet de mogelijkheid om met een andere methode te zien waar het defect werkelijk bestaat, omdat het monster nu weg is, " zei Ghosh. "Met IR-beeldvorming, we kunnen beide tegelijk doen."

"Dit unieke gebruik van een oudere techniek, maar met nieuwe instrumenten, stelt ons in staat om snel de kwaliteit en beste toepassing voor specifieke MOF's op een niet-destructieve manier te bepalen - iets wat geen enkele andere groep heeft kunnen doen, ' zei Mukherjee.

De groep stelt zich voor dat deze techniek wordt gebruikt met andere apparaten die onder vergelijkbare omstandigheden zijn gemaakt, evenals gebruik buiten het domein van de materiaalwetenschap.