Metaal-organische raamwerken (MOF's) zijn materialen met poriën van nanogrootte in hun kristalstructuren. Dankzij deze poriën kunnen MOF's moleculen zo efficiënt vangen dat ze nu uitstekende kandidaten zijn in toepassingen zoals koolstofafvang en waterfiltering.

De uitdaging bij MOF's is hun mechanische stabiliteit. De materialen zijn kwetsbaar voor fysieke en chemische stress, die hun structuur kunnen beïnvloeden en, uiteindelijk, hun optreden. Omdat bij veel MOF-toepassingen wordt gewisseld tussen verschillende temperaturen, wisselende druk, en andere chemische moleculen die capillaire krachten uitoefenen, het is voor het veld van het grootste belang geworden dat MOF's voldoende mechanische stabiliteit hebben.

Nutsvoorzieningen, het lab van Berend Smit bij EPFL Sion met Lev Sarkisov van de Universiteit van Edinburgh hebben ontdekt hoe de mechanische eigenschappen van MOF's zich verhouden tot hun structuur, wat lange tijd een obstakel is geweest bij het optimaliseren van de stabiliteit van de materialen.

Voor deze studie is de wetenschappers concentreerden zich op een populair type MOF's genaamd "zeolitische imidazolaat-frameworks, " die worden gebruikt bij het afvangen van koolstof, katalyse, en zelfs sommige strategieën voor medicijnafgifte. Het team ontwikkelde software die chemische structuren genereert om grote aantallen van deze MOF's met verschillende moleculaire structuren te ontwerpen. Door deze te bestuderen, ze waren in staat om principes te extraheren die de mechanische eigenschappen van een MOF verbinden met zijn structuur, evenals ontwerpmaterialen met verbeterde mechanische stabiliteit.

De onderzoekers "versierden" vervolgens de organische delen van de MOF's met een verscheidenheid aan functionele groepen, een term die verwijst naar groepen atomen die het molecuul geven (in dit geval de MOF) specifieke karakteristieke eigenschappen. Dit deel van de studie toonde aan dat, afhankelijk van de poriënstructuur, dezelfde functionele groepen kunnen ofwel de structuur van een MOF verharden en de mechanische stabiliteit ervan verbeteren, of verzachten en onstabiel maken.

De sleutel tot de effecten van functionele groepen ligt in de zogenaamde "niet-gebonden interacties, " die optreden tussen atomen zonder chemische binding. Niet-gebonden interacties omvatten elektrostatische en Van der Waals-interacties - de laatste regelt de vorming van waterdruppels.

De EPFL-wetenschappers ontdekten dat niet-gebonden interacties een belangrijke rol spelen bij de stijfheid van MOF's. Dit betekent dat strategisch geplaatste functionele groepen kunnen helpen bij het afstemmen van de mechanische stabiliteit van een MOF door extra connectiviteit tussen de atomen te introduceren via niet-gebonden interacties.

De auteurs beschrijven de functionele groepen die helpen bij het dragen van de mechanische belasting die op de MOF wordt uitgeoefend als "chemische kariatiden, " verwijzend naar de standbeelden van vrouwen die fungeerden als ondersteunende kolommen voor structuren in het oude Griekenland, meest beroemde die van het Erechteion op de Akropolis in Athene.

"De toevoeging van een functionele groep kan een decoratie lijken, maar als het strategisch geplaatst is, het zorgt voor een essentiële versterking van de MOF-structuur, " zegt Berend Smit "In ons lab, we hebben de software ontwikkeld die experimentele groepen kunnen gebruiken om te voorspellen of het toevoegen van verschillende functionele groepen de mechanische stabiliteit van hun materiaal verbetert."