Met het blote oog, metalen organische raamwerken (MOF's) lijken een beetje op zand. Maar als je inzoomt, je zult zien dat elke korrel er meer uitziet en werkt als een spons - en een soortgelijk doel dient. MOF's worden gebruikt om gassen te absorberen en vast te houden, wat handig is bij het filteren van giftige gassen uit de lucht of als een manier om brandstof op te slaan voor motoren op aardgas of waterstofgas.

Nieuw onderzoek onder leiding van een interdisciplinair team van zes universiteiten onderzoekt warmteoverdracht in MOF's en de rol die het speelt wanneer MOF's worden gebruikt voor de opslag van brandstof. Corresponderende auteur Christopher Wilmer, William Kepler Whiteford Faculty Fellow en assistent-professor chemische en petroleumtechnologie aan de Swanson School of Engineering van de University of Pittsburgh, co-auteur van het werk met onderzoekers van de Carnegie Mellon University, de Universiteit van Virginia, Oude Dominion-universiteit, Noordwestelijke Universiteit, en het Karlsruhe Institute of Technology in Karlsruhe, Duitsland. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Een van de uitdagingen bij het gebruik van MOF's voor brandstoftanks in auto's is dat je in een paar minuten of minder moet kunnen tanken, " legt Wilmer uit. "Helaas, wanneer je deze op MOF gebaseerde tanks snel vult met waterstof of aardgas, worden ze erg heet. Het is niet zozeer een explosiegevaar - hoewel er een is - maar het feit dat ze niet veel gas kunnen opslaan als ze heet zijn. Het hele uitgangspunt om ze te gebruiken om veel gasvormige brandstof op te slaan, werkt alleen bij kamertemperatuur. Voor andere industriële toepassingen heb je een soortgelijk probleem:wanneer gassen snel worden geladen, worden de MOF's heet en werken ze niet langer effectief."

Met andere woorden, dat MOF's nuttig zijn voor deze toepassingen, ze zouden koel moeten worden gehouden. Dit onderzoek keek naar thermisch transport in MOF's, om te onderzoeken hoe snel ze overtollige warmte kwijt kunnen, en de groep vond enkele verrassende resultaten.

"Als je deze poreuze materialen neemt, die om te beginnen thermisch isolerend zijn, en je vult ze met gas, het lijkt erop dat ze nog meer isolerend worden. Dit is verrassend, omdat meestal lege zakken zoals die in isolatie of dubbele beglazing zorgen voor een goede thermische isolatie, " legt Wilmer uit. "Door poreuze materialen te nemen en te vullen, waardoor die lacunes worden weggewerkt, je zou verwachten dat het thermische transport zou verbeteren, waardoor het beter warmtegeleidend wordt. Het tegenovergestelde gebeurt; ze worden meer isolerend."

Om tot hun conclusie te komen, onderzoekers voerden twee gelijktijdige experimenten uit met behulp van twee verschillende methoden en MOF's gesynthetiseerd in twee verschillende laboratoria. Beide groepen zagen dezelfde trend:dat de MOF's meer geïsoleerd raken als ze gevuld zijn met adsorbaten. Hun experimentele bevindingen werden ook gevalideerd door atomistische simulaties bij Pitt in samenwerking met Carnegie Mellon University.

"Ons werk wijst op potentiële uitdagingen voor het gebruik van MOF's buiten onderzoekslaboratoria, maar dat is een noodzakelijke stap in het proces, " zegt Alan McGaughey, hoogleraar werktuigbouwkunde aan Carnegie Mellon. "Naarmate deze materialen vorderen in de richting van brede, gebruik in de echte wereld, onderzoekers zullen moeten doorgaan met het onderzoeken van eigenschappen van deze materialen die eens over het hoofd werden gezien, zoals thermisch transport, en de beste manier vinden om ze te gebruiken om aan onze behoeften te voldoen."