Een klasse van materialen die metaalorganische raamwerken worden genoemd, of MOF's, heeft de afgelopen jaren veel belangstelling gewekt voor een verscheidenheid aan potentiële energiegerelateerde toepassingen, vooral sinds onderzoekers ontdekten dat deze typisch isolerende materialen ook elektrisch geleidend kunnen worden gemaakt.

Dankzij de buitengewone combinatie van porositeit en geleidbaarheid van MOF's, deze bevinding opende de mogelijkheid van nieuwe toepassingen in batterijen, brandstofcellen, supercondensatoren, elektrokatalysatoren, en gespecialiseerde chemische sensoren. Maar het proces om specifieke MOF-materialen te ontwikkelen die de gewenste eigenschappen hebben, verliep traag. Dat komt grotendeels omdat het moeilijk was om hun exacte moleculaire structuur te achterhalen en hoe deze de eigenschappen van het materiaal beïnvloedt.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT en andere instellingen hebben een manier gevonden om de groei van kristallen van verschillende soorten MOF's te beheersen. Dit maakte het mogelijk om kristallen te produceren die groot genoeg waren om door een reeks tests te worden onderzocht, waardoor het team eindelijk de structuur van deze materialen kan ontcijferen, die lijken op de tweedimensionale hexagonale roosters van materialen zoals grafeen.

De bevindingen worden vandaag beschreven in het tijdschrift Natuurmaterialen , in een paper van een team van 20 aan het MIT en andere universiteiten in de VS, China, en Zweden, onder leiding van W. M. Keck Professor of Energy Mircea Dincă van het MIT's Department of Chemistry.

Sinds geleidende MOF's een paar jaar geleden voor het eerst werden ontdekt, Dincă zegt, veel teams hebben gewerkt aan het ontwikkelen van versies voor veel verschillende toepassingen, "maar niemand was in staat geweest om zo gedetailleerd een structuur van het materiaal te krijgen." Hoe beter de details van die structuren worden begrepen, hij zegt, "het helpt je om betere materialen te ontwerpen, en veel sneller. En dat is wat we hier hebben gedaan:we hebben de eerste gedetailleerde kristalstructuur met atomaire resolutie geleverd."

De moeilijkheid om kristallen te kweken die groot genoeg waren voor dergelijke studies, hij zegt, ligt in de chemische bindingen binnen de MOF's. Deze materialen bestaan ​​uit een rooster van metaalatomen en organische moleculen die de neiging hebben zich te vormen tot kromme naald- of draadachtige kristallen, omdat de chemische bindingen die de atomen verbinden in het vlak van hun hexagonale rooster moeilijker te vormen en moeilijker te verbreken zijn. In tegenstelling tot, de bindingen in verticale richting zijn veel zwakker en blijven dus in een sneller tempo breken en hervormen, waardoor de structuren sneller stijgen dan ze zich kunnen verspreiden. De resulterende spichtige kristallen waren veel te klein om te worden gekarakteriseerd door de meeste beschikbare hulpmiddelen.

Het team loste dat probleem op door de moleculaire structuur van een van de organische verbindingen in de MOF te veranderen, zodat het de balans van elektronendichtheid en de manier waarop het met het metaal interageert, veranderde. Dit keerde de onbalans in de sterktes en groeipercentages van de obligaties om, waardoor veel grotere kristalplaten kunnen worden gevormd. Deze grotere kristallen werden vervolgens geanalyseerd met behulp van een reeks op diffractie gebaseerde beeldvormingstechnieken met hoge resolutie.

Zoals het geval was met grafeen, het vinden van manieren om grotere vellen van het materiaal te produceren, kan een sleutel zijn om het potentieel van dit soort MOF's te ontsluiten, zegt Dincă. Aanvankelijk kon grafeen alleen worden geproduceerd door plakband te gebruiken om enkele atoomdikke lagen van een blok grafiet af te pellen, maar in de loop van de tijd zijn er methoden ontwikkeld om vellen direct te produceren die groot genoeg zijn om bruikbaar te zijn. De hoop is dat de technieken die in deze studie zijn ontwikkeld, kunnen helpen de weg vrij te maken voor vergelijkbare vooruitgang voor MOF's, zegt Dincă.

"Dit biedt in feite een basis en een blauwdruk voor het maken van grote kristallen van tweedimensionale MOF's, " hij zegt.

Net als bij grafeen, maar in tegenstelling tot de meeste andere geleidende materialen, de geleidende MOF's hebben een sterke gerichtheid op hun elektrische geleidbaarheid:ze geleiden veel vrijer langs het vlak van de materiaalplaat dan in de loodrechte richting.

Dit pand, gecombineerd met de zeer hoge porositeit van het materiaal, zou het een sterke kandidaat kunnen maken voor gebruik als elektrodemateriaal voor batterijen, brandstofcellen, of supercondensatoren. En wanneer aan zijn organische componenten bepaalde groepen atomen zijn gehecht die zich aan bepaalde andere verbindingen binden, ze kunnen worden gebruikt als zeer gevoelige chemische detectoren.

Grafeen en het handjevol andere bekende 2D-materialen hebben geleid tot een breed scala aan onderzoek naar mogelijke toepassingen in elektronica en andere gebieden, maar die materialen hebben in wezen vaste eigenschappen. Omdat MOF's veel van de kenmerken van die materialen delen, maar vormen een brede familie van mogelijke variaties met verschillende eigenschappen, ze moeten onderzoekers in staat stellen de specifieke soorten materialen te ontwerpen die nodig zijn voor een bepaald gebruik, zegt Dincă.

Voor brandstofcellen, bijvoorbeeld, "u wilt iets met veel actieve plaatsen" voor reactiviteit op het grote oppervlak dat wordt geboden door de structuur met zijn open traliewerk, hij zegt. Of voor een sensor om de niveaus van een bepaald gas, zoals kooldioxide, "je wilt iets dat specifiek is en geen valse positieven geeft." Dit soort eigenschappen kunnen worden ingebouwd door de selectie van de organische verbindingen die worden gebruikt om de MOF's te maken, hij zegt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.