Een zeer poreus metalen organisch frame, samengesteld uit moleculaire bouwstenen die zijn ontworpen om in een specifieke richting aan elkaar te vergrendelen, is ontwikkeld door onderzoekers van KAUST.

Metaalorganische raamwerken (MOF's) zijn kristallijne materialen gemaakt van metaalionen verbonden door organische linkers. Hun interne structuur is als een zich herhalende reeks kleine identieke kooien, die ideaal zijn voor het hosten van verschillende moleculen. MOF's hebben potentiële toepassingen gevonden, van gasdetectie tot moleculaire scheidingen tot opslag, afhankelijk van de afmetingen en structuur van hun poriën.

Eén familie MOF's is geïnspireerd op anorganische poreuze materialen die zeolieten worden genoemd. Zeolieten zijn een speciale klasse van poreus materiaal met talloze toepassingen, legt Norah Alsadun uit, een doctoraat student in het laboratorium van Mohamed Eddaoudi, die het onderzoek leidde. "Echter, het vermogen om de porie-openingsgrootte en het poriesysteem van een bepaald zeoliet te verfijnen, gebaseerd op een bepaalde topologie, is zeer uitdagend, " ze zegt.

Door de zeolietstructuur na te bootsen met een MOF, echter, de poriestructuur kan gemakkelijk worden aangepast door het metaal en de organische linker te veranderen. "Onze groep introduceerde het gebruik van op één metaal gebaseerde tetraëdrische bouweenheden voor zeolietachtige MOF (ZMOF) constructie, " zegt Alsadun. De basis van de op tetraëder gebaseerde ZMOF-structuur is een paar driehoekige piramides, tip-to-tip bevestigd via een enkele binding.

De vrije rotatie van de twee driehoeken rond de enkele binding leidt typisch tot de vorming van een diamantachtige structuur. Echter, de assemblage van tetraëdrische bouweenheden in MOF-chemie kan leiden tot de gelijktijdige vorming van meerdere diamantnetwerken, allemaal doordringend in elkaar, waardoor de poriën worden geblokkeerd. "Dus, we ontwikkelden een nieuw concept voor ZMOF-assemblage met behulp van polynucleaire clusters als rigide, directionele en vergrendelde bouweenheden, ' zegt Eddaoudi.

In plaats van eenvoudige enkelvoudige metalen tetraëders als de belangrijkste bouwsteen, het team gebruikte uitgebreide polynucleaire clusters waarin elke rand en hoek van de oorspronkelijke tetraëder is vervangen door een nieuw gezicht - een geometrisch concept dat bekend staat als cantellation. Als resultaat, de enkele binding die de twee tetraëders in de oorspronkelijke structuur met elkaar verbindt, wordt vervangen door drie bindingen, het vergrendelen van de structuur in een specifieke oriëntatie.

Zoals het team had gepland, de vergrendelde bouwstenen genereerden een ZMOF met een "sodaliet", in plaats van een diamantachtige, structuur. "De sodaliet-topologie heeft geen ruimte voor interpenetratie, " zegt Vincent Guillerm, een senior onderzoeker in het team. De resulterende zode-ZMOF-poriën gemeten tot 43 angstrom in diameter, de grootste tot nu toe gerapporteerd voor een ZMOF.

"Ons werk bewijst dat deze uitdagende structuren toegankelijk zijn via ons nieuwe ontwerp, " zegt Eddaoudi. "Deze strategie wordt nu toegepast om andere ZMOF's te bouwen."