Beelden die zijn gemaakt met een atoomkrachtmicroscoop hebben onderzoekers in staat gesteld om te observeren, Voor de eerste keer, de flexibele en dynamische veranderingen die optreden op de oppervlakken van 'poreuze coördinatiepolymeer'-kristallen wanneer gastmoleculen worden geïntroduceerd. De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurchemie , implicaties hebben voor onderzoek naar materialen die kunnen worden gebruikt voor het opslaan en waarnemen van moleculen.

"We waren verrast toen we ontdekten dat het poreuze oppervlak van coördinatiepolymeer uitzonderlijk flexibel is en constant in oplossing fluctueert, " zegt Nobuhiko Hosono van het Instituut voor Geïntegreerde Cel-Materiaalwetenschappen (iCeMS) van de Universiteit van Kyoto, "in tegenstelling tot de algemene perceptie dat het kristal hard en onbeweeglijk is."

Poreuze coördinatiepolymeren zijn kristallijne materialen die worden gevormd door de zelfassemblage van metaalionen en organische bindende moleculen die liganden worden genoemd. Ze worden momenteel onderzocht door materiaalwetenschappers vanwege hun vermogen om hun structuur te veranderen wanneer andere moleculen aan hen worden geïntroduceerd of wanneer ze worden blootgesteld aan bepaalde externe stimuli, zonder hun kristalliniteit te verliezen. Deze eigenschap maakt ze aantrekkelijk voor het ontwikkelen van apparaten die selectief gasmoleculen kunnen adsorberen en dus filteren of opslaan, zoals het opslaan van waterstof voor energie.

Hoewel onderzoekers weten dat sommige kristallijne structuren veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan bepaalde moleculen, ze hadden deze veranderingen nog niet in realtime kunnen waarnemen. Door te zien wat er werkelijk gebeurt, kan verder onderzoek worden gedaan naar het beheersen van deze materialen.

iCeMS-onderzoekers, waaronder Nobuhiko Hosono en Susumu Kitagawa, atomaire krachtmicroscopie gebruikt om de veranderingen te observeren die plaatsvonden aan het oppervlak van een enkelkristallijn poreus coördinatiepolymeer, gemaakt van zinkclusters en twee soorten liganden, toen bifenyl-gastmoleculen werden geïntroduceerd.

De atomaire krachtmicroscoop wordt gevormd door een kleine sonde aan het einde van een cantilever. De bewegingen van de sonde over het oppervlak van een materiaal worden geregistreerd, het verstrekken van een beeld van de topografie van het materiaal.

Het oppervlak van het coördinatiepolymeerkristal werd eerst in oplossing onder stabiele omstandigheden onderzocht. De metaal-organische roosters op het oppervlak waren tetragonaal van vorm. Vervolgens werd een bifenyloplossing aan het kristal toegevoegd met een geleidelijk toenemende concentratie. Elke 13 seconden werden er beelden gemaakt. Het team ontdekte dat de roosters binnen tien minuten veranderden in een ruitvorm toen de bifenylconcentratie een maximum van 500 millimol/liter oplossing bereikte vanwege de combinatie van het molecuul met het kristallijne oppervlak. Het verlagen van de concentratie leidt tot verwijdering van de bifenyl van het materiaaloppervlak en een snelle terugkeer van de tetragonale vormen van de roosters.

Verdere studies toonden aan dat de oppervlakteveranderingen nauwelijks invloed hadden op de rest van de kristalstructuur.

De zeer responsieve aard van het poreuze oppervlak van coördinatiepolymeer, tot in detail vastgelegd, biedt inzicht dat kan helpen bij de ontwikkeling van responsieve materialen, schrijven de onderzoekers in hun paper.