MOF's - of metaal-organische raamwerken - zijn zeer aanpasbare poreuze netwerkvaste stoffen met kooien die in vele maten kunnen worden geleverd en een verscheidenheid aan chemische componenten kunnen aantrekken en vasthouden, zoals koolstofdioxide, methaan, en waterstofgassen. En het is deze veelzijdige specificiteit die MOF's zoveel potentieel geeft voor toepassingen in batterijen van de volgende generatie en in het afvangen van koolstof, tussen een groeiende lijst. Ondanks hun vele positieve eigenschappen, hun open, poreuze structuur - die elektronen vasthoudt - is niet ideaal voor toepassingen waarbij elektronen vrijelijk met ionen (geladen deeltjes) door een apparaat moeten stromen om een ​​elektrische stroom te creëren.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy en UC Berkeley heeft een techniek ontwikkeld voor het maken van een elektrisch geleidende MOF die ook kan worden gebruikt om de geleidbaarheid van andere MOF's te verbeteren. Het werk werd gemeld in Natuurmaterialen .

Om de inherent lage elektrische geleidbaarheid van MOF's te omzeilen, de onderzoekers voegden een kaliumchemisch mengsel toe aan een MOF van ijzerbenzeendipyrazolaat (BDP). De extra elektronen die tijdens deze reactie worden geproduceerd, kunnen vervolgens het ijzercentrum van de MOF binnendringen en elektriciteit geleiden door over de lengte van één kristalas van de staafvormige kristallen te springen. Het ijzercentrum werkt als een draad die elektriciteit kan geleiden.

De meeste MOF's worden afgebroken bij blootstelling aan kalium, maar de ijzeren BDP MOF heeft robuuste driehoekige kanalen die standhielden tijdens een reeks tests waarbij elke reactie het aantal elektronen van het materiaal verhoogde totdat de maximale geleidbaarheid voor dat materiaal was bereikt, resulterend in een MOF die elektriciteit geleidt tot 10, 000 keer beter dan voordat het de kaliumreacties onderging. "Het is verbazingwekkend dat deze architectuur, ooit opgenomen in een micron-formaat transistor-achtig apparaat, stelde ons in staat om het aantal elektronen te meten terwijl het toenam met elke opeenvolgende kaliumreactie, " zei Jeffrey Lange, senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en hoogleraar scheikunde en chemische en biomoleculaire engineering aan UC Berkeley, die als hoofdauteur van de studie diende.

Een andere uitdaging in dit onderzoek was het laten groeien van de MOF's zodat hun atomen eerst perfect uitgelijnd zijn - elektronen moeten in een recht pad reizen om elektriciteit op te wekken - en dan deze micron-formaat apparaten te bedraden om hun geleidbaarheid te meten. "Dit was ongelooflijk moeilijk om te doen, " zei Long. "We waren niet in staat om erg grote kristallen van deze MOF te kweken, en de grootte en vorm waarin de kristallen groeien, maakten het moeilijk om ze in een apparaat te bedraden. Maar daar hebben we een oplossing voor gevonden."

Werken met het lab van Peidong Yang, een senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en hoogleraar chemie en materiaalwetenschappen en engineering aan UC Berkeley, de onderzoekers plaatsten platinacontacten aan elke kant van het MOF-kristal, die slechts 10 micron lang zijn - de lengte van twee rode bloedcellen naast elkaar. De nieuw gecreëerde MOF is een voortzetting van het werk dat voor het eerst werd gerapporteerd door Long's lab in 2009.

"Deze MOF heeft niet alleen een zeer hoge elektrische geleidbaarheid, maar de ijzeren ketting in het midden kan vrij gemakkelijk worden vertaald naar andere MOF's zonder veel geleiding te verliezen, " zei Michael Aubrey, een voormalige afgestudeerde student-onderzoeker in de Long-groep aan UC Berkeley, die nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Stanford University.

Simulaties van de elektronische structuur van de MOF's werden geleid door Jeff Neaton, directeur van Berkeley Lab's Molecular Foundry, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit gespecialiseerd in nanowetenschappelijk onderzoek. Diffractiewerk werd uitgevoerd bij de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory.

Deze vroege demonstratie van een zeer geleidende 3D MOF zou een goed voorteken kunnen zijn voor toekomstig gebruik als universeel materiaal voor batterijen, supercondensatoren, en brandstofcellen. Het kan ook worden opgenomen in bestaande composietmaterialen om ze om te zetten in poreuze geleiders. En omdat de organische componenten van de MOF met verlaagd kaliumgehalte schakelbaar zijn zonder de stabiliteit of elektronenmobiliteit in gevaar te brengen, het kan ook worden gebruikt om verschillende verbindingen voor katalysatoren en elektrolyten te maken.

En de toekomst voor MOF's kan zelfs nog rooskleuriger zijn, aangezien de onderzoekers vooruitkijken om "de geleidbaarheid nog verder te vergroten, Long zei. "Als we dit niveau van geleidbaarheid kunnen hebben in een materiaal waar de elektronen in één dimensie bewegen, we zouden op een dag MOF's willen maken met elektronen die mobiel zijn in twee of drie dimensies, " wat hun potentieel voor elektronica en batterijtoepassingen zou vergroten.