Metaal-organische raamwerken (MOF's) zijn een klasse van kristallijne materialen met een structuur van anorganische knopen verbonden door organische liganden. Momenteel zijn er meer dan 60 000 bekende MOF's, en ze worden onderzocht als veelbelovende materialen voor gasopslag, inclusief CO2-vastlegging en waterstofopslag, en kan zelfs worden gebruikt om water in de woestijn te oogsten. Het onderzoek heeft zich tot nu toe geconcentreerd op MOF's in vaste toestand, maar deze zachte, microkristallijne poeders zijn moeilijk industrieel te verwerken, omdat ze niet kunnen worden gesinterd en moeilijk tot pellets kunnen worden gevormd.

nieuwsgierig, verschillende voorbeelden van het smelten van kristallijne MOF-structuren zijn waargenomen, samen met de vorming van een vloeistof van identieke samenstelling aan het bovenliggende raamwerk. Afkoeling van deze vloeistoffen resulteert dan in een nieuwe familie van gassen. De fundamentele nieuwigheid van de MOF-toestanden voor vloeistof en glas, vergeleken met hun meer algemeen bekende kristallijne toestanden, leidde tot vroeg onderzoek1 naar de reactiviteit van de vloeibare toestand, en in het bijzonder hoe een vloeibare MOF kan interageren met een andere MOF-component.

Onderzoeken, een internationaal team van onderzoekers bracht een paar kristallijne MOF's (ZIF-4 en ZIF-62) naar Diamond, onderzoek doen naar hun gedrag tijdens verhitting, op de bundellijnen I22 en I15-1. hun resultaten, onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie , laten zien dat de MOF vloeibare toestand kan worden gemengd met een andere MOF-component om een ​​MOF-glas te vormen met een op maat gemaakte glasovergang.

Nieuwe technieken gebruiken om amorfe MOF's te onderzoeken

Dr. Tom Bennett is materiaalchemicus. Het onderzoek van zijn groep is gericht op de synthese, karakterisering en toepassing van niet-kristallijne MOF's, en in het bijzonder MOF-vloeistoffen en MOF-brillen. Zijn doelen zijn tweeledig:MOF-onderzoek diversifiëren, weg van een pure focus op de kristallijne toestand, en om de raakvlakken van het veld te verkennen met een bril, ionische vloeistoffen, en polymeren. In dit onderzoek, zijn team gebruikte in-situ-experimenten bij Diamond om twee MOF-componenten te onderzoeken die aan elkaar waren gesmolten, gevolgd met temperatuur.

Onderzoeken hoe twee amorfe MOF-componenten op elkaar inwerken is ongelooflijk complex, nieuwe technieken nodig hebben, en de onderzoeksgroep hebben eerder de I15-1-bundellijn gebruikt, om paardistributiefuncties (PDF's) van hun materialen te produceren. Een PDF geeft afstanden aan waarover twee atomen gescheiden zijn op een herhalende schaal, ongeacht of het materiaal kristallijn is of niet.

Het idee om kleine en brede röntgenverstrooiing (SAXS en WAXS) op deze materialen te gebruiken, werd voor het eerst geopperd door I22-bundellijnwetenschapper Dr. Andy Smith.

In-situ SAXS- en WAXS-metingen werden uitgevoerd tijdens het verwarmen van de twee MOF's samen, en aangetoonde vorming van een vloeistof uit één component, en een amorfe vaste stof van de andere. De metingen toonden ook samensmelting van deeltjes aan, bevestigend, samen met differentiële scanningcalorimetrieresultaten, dat de twee MOF-componenten met elkaar waren vermengd - op een manier die bekend is in de wereld van organische polymeren, maar niet in MOF's. XPDF-metingen werden gebruikt op de herstelde 'MOF-blends', en bevestigde de aanwezigheid van de metaal-ligand-connectiviteit geassocieerd met de MOF-toestand.

Dr. Smith legt uit:

In tegenstelling tot veel van Diamond's technieken kunnen we met SAXS geen individuele atomen zien, omdat de techniek op grotere lengteschalen werkt. die van grote moleculen of moleculaire assemblages. In dit werk konden we SAXS gebruiken om de veranderingen te bekijken die plaatsvonden toen de microkristallen van MOF in de glasachtige toestand smolten en dit correleren met gelijktijdige WAXS-gegevens die het geleidelijke verlies van kristalliniteit aantonen. De combinatie van SAXS/WAXS op I22 met PDF-metingen op I15-1 zorgt voor een beter begrip van deze complexe materialen onder verwerkingsomstandigheden. Het is een gebied waar we veel meer werk in hopen te doen."

Een andere innovatie was het gebruik van ex situ energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS) om elementspecifieke resultaten te geven, en EDS-tomografie. De resulterende 3D-afbeeldingen laten zien dat de twee MOF-fasen zich binden over de interface ertussen, in een ligandwisselproces. De twee MOF's die in deze experimenten werden gebruikt, waren behoorlijk stroperig; verdere experimenten toonden aan dat starten met kleinere deeltjes van de kristallijne MOF's resulteerde in een grotere mate van vermenging, of mengen.

Wat biedt de toekomst voor vloeibare MOF's?

De volgende stappen voor dit onderzoek zijn om te onderzoeken welke MOF's kunnen worden gemengd om bruikbare nieuwe materialen te maken.

Dr. Bennett is van mening dat er nog veel te leren valt over amorfe MOF's. "MOF-brillen en MOF-vloeistoffen hebben zoveel potentie, en er is veel ruimte voor input uit andere vakgebieden, inclusief bril, ionische vloeistoffen, en polymeren. Het is waarschijnlijk dat veel andere onderzoekers amorfe of vloeibare MOF's hebben gevormd terwijl ze op zoek waren naar een nieuwe kristalstructuur, maar gooide ze toen weg. In werkelijkheid, deze niet-kristallijne toestanden kunnen net zo blijken te zijn, zo niet meer, interessanter dan de kristallen zelf. Het veld is nog maar net begonnen, en ik ben erg geïnteresseerd in samenwerking met onderzoekers uit andere domeinen, " zegt hij. Hij vindt Twitter een handig hulpmiddel, zowel voor samenwerking als voor interactie met mensen in het algemeen.