Perfecte kristallen zijn niet per se de meest bruikbare. Defecten in de geordende kristallijne structuur van metaal-organische raamwerken (MOF's) kunnen deze veelzijdige materialen op maat maken voor specifieke toepassingen. KAUST-onderzoekers hebben al een baanbrekende methode ontwikkeld om de defecten in beeld te brengen met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie. Ze melden nu dat het creëren van specifieke defecten, ze visualiseren, en het onderzoeken van hun chemische effecten brengt de verkenning van MOF's naar nieuwe niveaus van detail en controle.

MOF's bevatten metalen clusters op regelmatige afstanden die zijn verbonden door op koolstof gebaseerde organische linkergroepen. Door de metalen in de clusters en de structuur van de linkers te variëren, ontstaat een enorme diversiteit aan MOF's met verschillende porienetwerken en verschillende chemische eigenschappen. Twee van de belangrijkste toepassingen waarvoor MOF's worden ontwikkeld, zijn voor gebruik als katalysator en als zeer selectieve gasadsorptie- en scheidingsmaterialen.

MOF's zijn een van de populairste gebieden van chemisch onderzoek, en KAUST-wetenschappers zijn hard aan het werk om voorop te blijven lopen. De laatste vooruitgang bouwt voort op een lange staat van dienst van ontdekkingen en heeft betrekking op drie KAUST-onderzoekscentra, de KAUST Core-labs en medewerkers in China en het VK.

"De grootste verrassing die we onthullen, is dat er verschillende defecten zijn in bijna alle MOF's, zelfs degenen die voorheen als perfect werden beschouwd, " zegt onderzoeker, Yu Han van het KAUST Advanced Membranes and Porous Materials Center.

Han legt uit dat het onderzoeken van de defecten een uitdaging is omdat MOF-kristallen kwetsbaar zijn en gemakkelijk kunnen worden beschadigd door de elektronenstralen die worden gebruikt in conventionele elektronenmicroscopie. Het KAUST-team heeft dit probleem overwonnen door een zeer gevoelige elektronentelcamera te gebruiken, gecombineerd met een reeks speciaal ontworpen beeldverwerkingsmethoden.

Deze nieuwe mogelijkheid om direct in een MOF te kijken met een hoog resolutieniveau, onthult dat twee soorten defecten naast elkaar kunnen bestaan, vanwege ontbrekende metalen clusters en ontbrekende linkers. "Dergelijke details waren voorafgaand aan ons werk niet te zien, " zegt Han.

De onderzoekers onderzochten ook het creëren van defecten in MOF's met chemische behandeling en het volgen van hoe het patroon van defecten zich ontwikkelt. Dit toont het potentieel aan om de defecten te verfijnen om de chemische eigenschappen van een MOF te manipuleren.

Het KAUST-team heeft de kracht van deze strategie aangetoond door te ontdekken dat een specifieke MOF met ontbrekende clusterdefecten katalytisch actiever is dan een met ontbrekende linkerdefecten.

De onderzoekers zijn nu bezig hun beeldtechniek verder te verfijnen en toe te passen op grotere kristallen. "We hopen meer onbekenden over MOF's bekend te maken om hun toepassingen te optimaliseren, " zegt Han.