Na hun ontdekking 25 jaar geleden kregen metaal-organische raamwerken (MOF's) snel de uitstraling van een "wondermateriaal" vanwege hun bijzondere eigenschappen:hun grote binnenoppervlakken en instelbare poriegroottes maken verbeterde toepassingen mogelijk, bijvoorbeeld in materiaalscheiding en gas opslag.

Terwijl eerdere vertegenwoordigers voornamelijk gebaseerd waren op overgangsmetalen zoals koper en zink, heeft een team van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) meer exotische delen van het periodiek systeem onderzocht:ze onderzochten analoge verbindingen met actiniden als de anorganische component. Zo helpen ze onder meer de veilige berging van radioactieve stoffen te bevorderen.

De wetenschappers van Rossendorf hebben zo de basis gelegd voor raamwerken die een reeks actinide-metaalionen als de primaire component kunnen bevatten, namelijk thorium en uranium, evenals de transuranen neptunium en plutonium.

"De meeste van deze elementen in de laatste rij van het periodiek systeem zijn kunstmatig. Ze zijn het product van een neutronenbombardement of een bijproduct in een kernreactor. Daarin hebben mensen extreem gevaarlijke stoffen gecreëerd omdat ze allemaal radioactief zijn en, in sommige gevallen, zeer giftig", legt Dr. Moritz Schmidt van HZDR's Institute of Resource Ecology uit.

"Dit betekent ook dat al ons experimentele werk moet worden uitgevoerd met speciale veiligheidsmaatregelen. Ons werkpaard is coördinatiechemie of, met andere woorden, het creëren van metaalcomplexen met overwegend organische moleculen", zegt Dr. Juliane März, op de achtergrond uitweidend. bij de activiteiten van het team.

Binnen de coördinatiechemie zijn metaal-organische raamwerken een relatief jong vakgebied. De zeer poreuze vaste stoffen zijn samengesteld uit metalen of metaal-zuurstofclusters die modulair zijn verbonden door pilaren van organische chemicaliën, waardoor netwerken van flexibele holtes ontstaan ​​die doen denken aan de poriën van een keukenspons.

Aanvankelijk richtte het onderzoek zich op de overgangsmetalen. "Goede vooruitzichten voor nieuwe toepassingen brachten ons al snel naar elementen met complexe elektronenschillen te kijken - allereerst de zeldzame aardmetalen en tenslotte ook de actiniden. Maar tot nu toe is er bijna niets bekend over transuranen die niet van nature voorkomen , zoals neptunium en plutonium", zegt März, de chronologie schetsend.

Steigers met hoge symmetrie van moleculaire bouwstenen:aangepaste toepassingen

Als organische pijler gebruikten ze chemisch gemodificeerd antraceen, een prominent voorbeeld van polycyclische aromatische koolwaterstoffen. "We weten dat kristallijn antraceen de beste organische scintillator is:wanneer energierijke straling door deze stof gaat, prikkelt het zijn moleculen door botsingsprocessen. De excitatie-energie wordt uitgezonden in de vorm van blauw licht. Daarom zijn onze raamwerken ook lichtgevend." Schmidt meldt. En ze vertonen nog een bijzondere eigenschap:de breedte van hun bandgap, die een maat is voor het energetische verschil tussen de valentieband en de geleidingsband.

"In the case of semiconductors at very low temperatures only the valence band has charge carriers; in this state it is non-conducting. When energy is applied, they move to the conduction band and thus trigger a flow of current. Measurements show that our new material is one of the so-called broadband semiconductors which play a role especially in power electronics and sensor technology. So, it might be usable as a detector for ionizing radiation—and the actinides we have built in deliver a constant internal radiation reference at the same time," Schmidt says.

Early investigations into MOFs by research groups worldwide synthesized representatives that exhibited ever larger inner surfaces and have therefore become alternatives to activated carbon and zeolites, for example in materials separation or catalytic processes. Their advantage is that their modular structure means that diverse network topologies can be implemented; moreover, the pore size can be very finely tuned by selecting an appropriate pillar for the intended application such as efficient adsorbents for a very specific chemical.

März and Schmidt have taken this a step further, adding a new facet with their work. They have identified applications in a field in which HZDR's Institute of Resource Ecology conducts research:the safe disposal of radioactive material. The researchers are thus considering the development of a tailored waste matrix that immobilizes actinides in the scaffold and fission products in its pores.

The research is published in Journal of the American Chemical Society and based on earlier work published in Coordination Chemistry Reviews . + Verder verkennen

Going beyond Mother Nature's molecules to target radioactive metals