Onderzoekers van de Universiteit Gent onderzochten hoe zogenaamde metaal-organische raamwerken ademen als het warmer of kouder wordt. Met behulp van geavanceerde computersimulaties, ze ontdekten dat de temperatuur waarbij deze materialen plotseling uitzetten of krimpen, instelbaar is. Hun resultaten maken het ontwerp mogelijk van thermostaten die op moleculair niveau werken.

Het onderzoek werd uitgevoerd in het Centrum voor Moleculaire Modellering van de Universiteit Gent onder supervisie van Prof. V. Van Speybroeck en in samenwerking met de Universiteit van Wenen. Het verschijnt in Natuurcommunicatie deze week.

Ingenieuze poriën

Metaal-organische raamwerken zijn bezaaid met minuscule poriën, niet meer dan een miljardste van een meter in diameter. Ondanks deze beperkte omvang, de poriën bieden mogelijkheden voor een breed scala aan geavanceerde toepassingen. Metaal-organische raamwerken trokken tot nu toe de aandacht voor de detectie van chemische wapens, het transport van drugs in het bloed of het afvangen van broeikasgassen.

Materiaalontwerp door computersimulaties

De onderzoekers van het Center for Molecular Modeling richtten zich op de ademende versies van metaal-organische raamwerken. De poriën van deze materialen openen of sluiten als ze opwarmen of afkoelen. Dit ademhalingsgedrag geeft aanleiding tot een plotselinge toename of afname van het volume. De UGent-wetenschappers toonden nu aan dat de temperatuur waarbij dit fenomeen optreedt, afhangt van de samenstelling van de metaal-organische raamwerken. Hun moleculaire bouwstenen kunnen daarom worden gekozen in functie van de temperatuur waarbij een reactie vereist is. Vooral, de schakeltemperatuur is het resultaat van een subtiele balans tussen de aantrekkingskracht tussen de poriewanden en de mobiliteit van de atomen.

Moleculaire thermostaat

De bevindingen van de studie openen nieuwe perspectieven voor het ontwerp van thermostaten die beperkt zijn tot een handvol atomen. Dergelijke materialen zijn nodig om de voortschrijdende miniaturisering van verschillende toepassingen aan te kunnen, variërend van elektronica tot biologie. De omzetting van warmte in volumeverandering biedt bovendien mogelijkheden voor het benutten van energie op de kleinste lengteschalen.