In een onderzoek dat zojuist is gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Geavanceerde functionele materialen , een team van Amerikaanse en Nederlandse onderzoekers presenteert ontwerpstrategieën voor het aanpassen van het thermische uitzettingsgedrag van microporeuze Metal-Organic Frameworks (MOF's). Vooral, het vermogen om negatieve thermische uitzettingscoëfficiënten te realiseren is van groot belang voor de mogelijke toepassing van MOF's, bijvoorbeeld op materiaalinterfaces waar ze scheuren en afpellen zouden kunnen voorkomen. Dr. David Dubbeldam en Dr. Jurn Heinen van het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) van de Universiteit van Amsterdam hebben bijgedragen aan het onderzoek, dat omvatte zowel experimenteel werk als computersimulatie.

In gecondenseerde materie, een stijging van de temperatuur leidt in het algemeen tot een toename van het volume. In toepassingen waar materialen in besloten omgevingen worden geplaatst, dit fenomeen van positieve thermische uitzetting (PTE) kan aanzienlijke stress of zelfs catastrofale apparaatstoringen veroorzaken. Bij materiaalinterfaces in coatings of films, een mismatch in thermische uitzettingseigenschappen kan leiden tot barsten en afbladderen. De beschikbaarheid van materialen met aangepast thermisch uitzettingsgedrag zou dergelijke problemen verminderen en van grote waarde zijn voor een verscheidenheid aan andere materiaalontwerp- en technische uitdagingen.

MOF's als een opkomende klasse van materialen met negatieve thermische uitzetting

Er wordt voorspeld dat metaal-organische raamwerken (MOF's) wijdverbreide negatieve thermische uitzetting (NTE) vertonen, deels vanwege hun nanoporositeit en flexibele raamwerkkenmerken. Ze zijn bijzonder intrigerend als NTE-materialen omdat ze een grote ontwerpflexibiliteit bieden - een kenmerk dat hen onderscheidt van NTE-zeolietmaterialen. MOF's worden gevormd door de assemblage van een grote verscheidenheid aan anorganische knooppunten en multitopische organische liganden. Deze laatste maken ook een grotere mate van structurele flexibiliteit mogelijk, wat hun potentieel voor het vertonen van grootschalige NTE verder kan bevorderen.

Ontwerpstrategieën voor het afstemmen van thermische uitzetting in microporeuze MOF's

De MOF-ontwerpstrategieën die nu zijn gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen zijn het resultaat van een Amerikaans/Nederlandse samenwerking waarbij experimenteel onderzoek bij Sandia Labs (Livermore, Californië, VS) en Georgia Tech (Atlanta, Georgië, VS) werd ondersteund door computersimulaties uitgevoerd door Dr. Jurn Heinen en Dr. David Dubbeldam van de Computational Chemistry group van het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (Amsterdam, Nederland). Heinen sloot zich ook aan bij hoofdauteur Nicholas Burtch (Sandia) bij het verzamelen van synchrotron-stralingsdiffractiegegevens op veel MOF-monsters bij de Advanced Photon Source (APS) van Argonne National Laboratory (Lemont, Illinois, ONS.).

Door het metaal onafhankelijk te variëren, ligand, topologie, en gastsoorten, de onderzoekers hebben vastgesteld hoe MOF thermische uitzettingskarakteristieken in positieve of negatieve richting kunnen worden aangepast. Ze presenteren verschillende ontwerpstrategieën voor het afstemmen van het thermische uitzettingsgedrag van MOF door hun structurele eigenschappen en gastomgeving te variëren, zoals samengevat in onderstaande figuur.

De onderzoekers publiceren ook een beknopte selectiegids voor isotrope NTE-materialen op basis van gemiddelde waarden van de thermische uitzettingscoëfficiënt gerapporteerd voor geselecteerde materialen over verschillende temperatuurbereiken. Afhankelijk van de doeltoepassing, MOF's kunnen voordelen bieden ten opzichte van traditionele materiaalklassen met een uitgebreid bereik waarover NTE wordt tentoongesteld, verbeterde chemische, mechanisch, en thermische stabiliteitseigenschappen en, vanwege hun porositeit, de exploitatie van de gastomgeving als een strategie voor het beheersen van thermische expansie. Een grote ontwerpruimte kan worden afgedekt door verdere karakterisering van de duizenden MOF's die al zijn gesynthetiseerd en waarover in de literatuur is gerapporteerd. Echter, alvorens bruikbaar te worden in composietmateriaaltoepassingen, Er moet onderzoek worden gedaan naar hoe de negatieve thermische uitzetting op nanoschaal (kristallografische) die in MOF's wordt gevonden, zich vertaalt in een verlaging van de thermische uitzettingscoëfficiënt op macroscopische (bulk) schaal.

Algemener, een fundamenteel begrip van MOF thermische uitzetting is cruciaal om het gebruik ervan in een breed scala aan potentiële toepassingen te bevorderen, waaronder gecoate monolieten, microcantilever-sensoren, en elektronische apparaten. In elk van deze scenario's temperatuurveranderingen zullen optreden, en een mismatch in de gemiddelde thermische uitzettingscoëfficiënt van de MOF en zijn substraatmateriaal zal restspanningen produceren die kunnen leiden tot scheur- en afpelgedrag of de hechting tussen de MOF en zijn interfacelaag in gevaar brengen.