Metaal-organische raamwerken (MOF's) zijn poreus, kristallijne materialen die verbindingen in hun moleculaire holtes kunnen vangen, waardoor ze een breed scala aan toepassingen hebben in gasopslag en -scheiding, Koolstofopname, en bij de katalyse van chemische reacties, om er een paar te noemen. Een nieuwe reeks toepassingen wordt nu onderzocht door kristallijne MOF's om te zetten in vloeibare en/of glasachtige toestanden.

"MOF's zijn een relatief nieuwe materiaalklasse, en de meeste die in de afgelopen 20 jaar zijn ontwikkeld, bevinden zich in de kristallijne staat, " zegt Satoshi Horike, een materiaalwetenschapper van het Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) van de Universiteit van Kyoto. "Onlangs, we hebben niet-kristallijn glas of vloeibare toestanden gevonden in MOF's en stellen voor dat ze een groot potentieel hebben als toekomstige materialen."

Horik beoordeelde de nieuwste ontwikkelingen en perspectieven in het veld, samen met materiaalchemicus Susumu Kitagawa en collega's voor het tijdschrift Internationale editie van Angewandte Chemie .

Tienduizenden MOF's zijn gesynthetiseerd sinds ze voor het eerst werden ontdekt in de late jaren 1990. Technologische vooruitgang stelt onderzoekers nu in staat om te ontdekken wat er op moleculair niveau gebeurt wanneer sommige MOF's worden verwarmd tot een smeltpunt en vervolgens worden afgekoeld om een ​​glasachtige toestand te produceren. Tot dusver, onderzoekers hebben ongeveer tien MOF's gerapporteerd die in een vloeistof kunnen worden gesmolten en / of in een glasvorm kunnen worden veranderd. Hun smelttemperaturen variëren van 184°C tot 593°C, afhankelijk van hun kristalstructuren.

Wanneer dit type MOF wordt verwarmd, de metaalionen en organische liganden beginnen te wiebelen in de kristallen als het materiaal smelt. De bindingsafstanden in de polymeerketens worden ook langer naarmate de temperatuur blijft stijgen. De structuur van de kristallijne toestand van een MOF is zeer geordend. De glazen staat heeft een 'middle-range orde, " waar de verbindingen breken maar delen van de uitgebreide structuur over het algemeen op hun plaats blijven. Veel meer moleculaire fragmentatie treedt op wanneer een MOF de vloeibare toestand bereikt, maar een deel van de interne structuur behoudt een element van connectiviteit.

Niet al deze MOF's kunnen in glas worden omgezet door hun vloeibare toestand te koelen. Sommige vereisen een mechanische slijpbehandeling om glas te vormen. Tijdens dit proces, het toevoegen van bepaalde chemicaliën aan het materiaal kan sommige van zijn fysieke eigenschappen moduleren, zoals verbetering van de geleidbaarheid van protonen.

Vloeibare en glazen MOF's kunnen een nieuwe staat van materiaal opleveren die porositeit vertoont, ionen geleidbaarheid, en optische eigenschappen zoals luminescentie. Ze tonen ook belofte voor warmteopslag, in energieapparaten, en voor gaspermeatie. Hybride materialen waarin glas of vloeibare MOF's zijn verwerkt met andere materialen, zoals organische polymeren, metaaldeeltjes, of metaalionen, zou kunnen worden gebruikt als sterke kleefstoffen in energie-apparaten of in katalytische reacties.

De onderzoekers suggereren dat wetenschappers de enorme bibliotheek die beschikbaar is voor kristallijne MOF's opnieuw moeten bekijken vanuit het oogpunt van faseverandering naar vloeistof en/of glas. Dit zou kunnen leiden tot het ontwerp van nieuwe functionele materialen.