Wetenschappers van de Universiteit van Kyoto zijn een stap dichter bij het ontwerpen van poreuze materialen die hun vorm kunnen veranderen en behouden - een functie die bekend staat als vormgeheugeneffect.

Vormgeheugenmaterialen hebben toepassingen op vele gebieden. Bijvoorbeeld, ze kunnen in het lichaam worden geïmplanteerd en vervolgens worden geïnduceerd om van vorm te veranderen voor een specifieke functie, zoals dienen als de steiger voor botweefselregeneratie. Het vormgeheugeneffect is goed gedocumenteerd in sommige materialen, inclusief keramiek en metaallegeringen. Maar het is zeldzaam en wordt slecht begrepen in kristallijne poreuze materialen.

Nutsvoorzieningen, Susumu Kitagawa van Kyoto University's Institute for Integrated Cell-Material Sciences en collega's in Japan, Ierland en de VS hebben een vormgeheugeneffect aangetoond in een flexibel metaalorganisch materiaal - pas de tweede dergelijke waarneming die ooit is gemeld. Ze beschrijven hun bevindingen in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Kristallen werden gemaakt door een mengsel van chemicaliën en zinknitraathexahydraat op te lossen in een gewoon oplosmiddel, dimethylformamide genaamd, gedurende 24 uur bij 120 °C. Met behulp van een röntgentechniek genaamd monokristallijne röntgendiffractie, het team bestudeerde de structuur van de kristallen. Ze ontdekten dat ze waren gevormd uit licht vervormde schepradvormige roosters, die waren gemaakt van centrale zinkionen gekoppeld aan omringende organische moleculen. Deze 'alfafase' van het kristal had een porositeit van 46 procent, wat betekent dat 46 procent van het volume beschikbaar was voor het accepteren van nieuwe moleculen; de eigenschap die poreuze materialen geschikt maakt voor uiteenlopende toepassingen.

Toen het team het alfakristal 12 uur lang in vacuüm op 130 °C verwarmde, het kristal werd dichter, zijn roosters werden meer vervormd, en de porositeit werd teruggebracht tot slechts 15 procent. Ze noemden deze fase van het kristal de bètafase.

Vervolgens voegden ze koolstofdioxide aan het kristal toe bij een temperatuur van -78°C. Kooldioxide werd geadsorbeerd in de poriën van het kristal en de vorm van het kristal veranderde in minder vervormde roosters dan die in de bètafase. Het beschikbare volume voor het accepteren van gastmoleculen nam toe tot 34 procent. Toen het team gedurende tien opeenvolgende cycli koolstofdioxide aan het kristal toevoegde en verwijderde, ze ontdekten dat het zijn vorm behield. Ze noemden deze fase van het kristal de 'vormgeheugen'-gammafase.

Het toevoegen van stikstof of koolmonoxide onder variërende temperaturen induceerde ook de transformatie van het kristal van de bèta- naar de gamma-fase.

Het team was in staat om de gammafase van het kristal terug te brengen naar de bètafase door het gedurende twee uur in een vacuüm op 130 ° C te verwarmen. Om terug te keren naar de alfafase, de gammafase van het kristal werd gedurende vijf minuten in dimethylformamide gedrenkt.

Dankzij de analyses van het kristal door het team konden ze beter begrijpen hoe de functie verandert samen met de structuur. De onderzoekers merken op dat hun werk de basis zou kunnen vormen voor het ontwerpen van meer voorbeelden van poreuze materialen met vormgeheugen.