Metaal-organische raamwerken (MOF's) zijn opkomende multifunctionele materialen die geleidelijk hun weg vinden uit de onderzoekslaboratoria en naar een groot aantal toepassingen in de echte wereld. Bijvoorbeeld, MOF's kunnen gevaarlijke gassen opslaan, katalyseren chemische reacties, medicijnen op gecontroleerde wijze afleveren, en kan zelfs worden gebruikt in oplaadbare batterijen en zonnecellen.

Een team van onderzoekers van Clemson University's College of Science heeft onlangs aangetoond dat een nieuwe dubbel-helix MOF-architectuur, in een gedeeltelijk geoxideerde vorm, kan elektriciteit geleiden waardoor het mogelijk een halfgeleider van de volgende generatie wordt.

De bevindingen van het team worden beschreven in het artikel getiteld "The Advent of Electrically Conducting Double-Helicical Metal-Organic Frameworks featuring Butterfly-Shaped Electron-Rich π-Extended Tetrathiafulvalene Ligands, " die op 18 maart werd gepubliceerd, 2020, als het omslagartikel in Toegepaste materialen en interfaces , een tijdschrift uitgegeven door de American Chemical Society.

MOF's bestaan ​​uit een reeks metaalionen verbonden door organische liganden. Atomair ontworpen met grote precisie, ze bezitten sterk geordende repetitieve eenheden die gewoonlijk poreuze structuren vormen.

Sinds de eerste MOF meer dan 20 jaar geleden werd gebouwd, onderzoekers wereldwijd hebben meer dan 20, 000 verschillende MOF's gemaakt met een verscheidenheid aan metalen en organische liganden.

Volgens universitair hoofddocent chemie Sourav Saha, de meeste bestaande MOF's zijn gemaakt van lineaire of vlakke liganden. Echter, Saha en zijn team introduceerden een vlindervormig, convexe ligand in een MOF, wat resulteerde in een nieuwe dubbele helixstructuur die in staat is om elektriciteit te geleiden zodra deze gedeeltelijk is geoxideerd door gastjodiummoleculen.

"Dit vlindervormige verlengde tetrathiafulvaleen (ExTTF) ligand is al een tijdje bekend bij de chemiegemeenschap, maar het was nog niet eerder in een MOF opgenomen, " zei Saha. "Door het in een dubbele spiraalvormige MOF te introduceren, we zouden unieke S-vormige ladingstransportpaden kunnen creëren die langs de naden van de aangrenzende strengen lopen. Wanneer de ExTTF-liganden aan de ene kant van elke dubbele helixstreng worden geoxideerd door jodium en die aan de andere kant neutraal blijven, ze vormen intermoleculaire ladingsoverdrachtsketens langs de naden. Elektronen kunnen op een intermoleculaire manier langs dit pad stromen, waardoor de MOF meer geleidend is."

Afgestudeerde scheikundestudent Monica Gordillo in de onderzoeksgroep van Dr. Saha heeft de dubbele spiraalvormige MOF gesynthetiseerd via een solvothermische methode, door een zinkzout en het ExTTF-ligand in een bepaalde verhouding te mengen. Vervolgens verwarmde ze het mengsel 24 uur in een oven op ongeveer 65 graden Celsius.

"We hebben deze prachtige plaatachtige oranje kristallen, " zei Gordillo. "Om dit opwindende materiaal te bereiken, we hebben de voorwaarden van deze synthese aangepast, het veranderen van de verhouding van oplosmiddelen, verhouding van liganden tot de metaal(zink)ionen en de temperatuur."

Om een ​​ladingstransportpad te creëren dat elektriciteit kan geleiden, ze verspreidde jodiumdamp in de poreuze MOF, waardoor de ene streng elektron-deficiënt werd, terwijl de andere streng elektronen bleef.

Elektrisch geleidende MOF's kunnen enkele voordelen hebben ten opzichte van conventionele anorganische halfgeleiders gemaakt van silicium, gallium, of arsenide, die alomtegenwoordig zijn in logische poorten, geheugenchips, en andere elektronische toepassingen. Bijvoorbeeld, conventionele halfgeleiders worden gesynthetiseerd bij temperaturen tussen 500 en 1, 000 graden Celsius.

"Anderzijds, MOF's kunnen op een meer energie-efficiënte manier worden gemaakt dan anorganische halfgeleiders, Saha zei. "Ze kunnen overal tussen kamertemperatuur en 150 graden Celsius worden gesynthetiseerd, met behoud van de sterk geordende kristallijne structuur die conventionele halfgeleiders hebben."

Saha en zijn team zijn van plan om door te gaan met het ontwikkelen van nieuwe MOF-architecturen met verschillende geometrieën, composities, en functies die toepassingen kunnen hebben in toekomstige elektronica en energieconversie- en opslagapparaten.