De meeste mensen denken niet na over hoe moleculen in de ultrakleine ruimtes tussen andere moleculen passen, maar dat is waar het onderzoeksteam van professor Masahide Takahashi elke dag aan denkt aan de Osaka Metropolitan University. Ze bestuderen metaal-organische raamwerken (MOF's), samengesteld uit modulair gerangschikte metaalionen en moleculen (organische linkers), die een steiger vormen. Metaalionen fungeren als hoeken verbonden door langere organische linkers. Een MOF kan worden gemaakt met behulp van verschillende metalen en organische linkers, zodat ze kunnen worden ontworpen voor specifieke chemische/fysische eigenschappen, aantrekkelijk voor het coaten van sensoren in optische en elektronische apparaten. De MOF-steiger laat namelijk veel interne ruimte open. Deze poriën kunnen talrijke gastmoleculen bevatten die toegang hebben tot het enorme interne oppervlak van de MOF's, waardoor ze ideaal zijn voor het ontwikkelen van katalytische materialen, gasopslag, gasscheiding en milieusanering.

Door een spectrometer te gebruiken om de MOF- en gastmolecuulabsorptie van twee verschillend gepolariseerde soorten infraroodlicht te meten, is de methode van het onderzoeksteam de eerste die zowel gast-gast- als gast-gastheer-interacties meet en dit in realtime doet. Infraroodspectroscopie wordt vaak gebruikt in laboratoria en de toevoegingen die nodig zijn voor lichtpolarisatie gebruiken minimale materialen, waaronder gemakkelijk repliceerbare 3D-geprinte componenten. Dit betekent een enorme vooruitgang in MOF-onderzoek, waardoor het veel toegankelijker wordt in vergelijking met de eerder gebruikte röntgendiffractie of vaste-stof-kernmagnetische resonantiespectroscopie.

Een unieke eigenschap van MOF's is dat ze hun geleidbaarheid en fotoluminescentie kunnen veranderen door het aantal gastmoleculen dat zich in hun poriën bevindt te vergroten of te verkleinen. Wanneer de gastmoleculen stevig zijn opeengepakt, kunnen ze uitlijnen, waardoor richtingafhankelijke verschillen ontstaan ​​voor lichtabsorptie en elektrische weerstand. De onderzoekers bedachten dit fenomeen het 'sardineblikje'-effect, omdat de moleculen in gassen niet altijd rond zijn, verschillend gevormde gasmoleculen vaak werken als 'sardines' wanneer ze in een 'blikje' met nanoporiën worden opgesloten. Wanneer lange moleculen worden toegevoegd, botsen ze tegen elkaar totdat ze naast elkaar zijn, efficiënt verpakt en in dezelfde richting wijzen, net als de sardines.

Als je een licht door de zijkant van een helder sardineblikje zou laten schijnen, zou je een goed idee kunnen krijgen van de richting waarin de sardines waren uitgelijnd op basis van hun schaduwen. De MOF-films en gastmoleculen zijn echter te klein om schaduwen te werpen, dus gebruikten de onderzoekers een ander kenmerk van licht:polarisatie. De onderzoekers gebruikten infrarood licht in twee polarisaties en maten de absorptie van het gastmolecuul voor elke polarisatie afzonderlijk. Toen de partiële druk van het gas in de MOF-film toenam, begonnen de gastmoleculen uit te lijnen, waardoor de absorptie van één polarisatie toenam.

Hierdoor konden de onderzoekers de partiële druk vinden waar de gastheermoleculen waren uitgelijnd en hoe ze op elkaar inwerkten bij verschillende drukken. De moleculaire bindingen tussen verschillende atomen absorberen specifieke golflengten van infrarood licht. Door te vergelijken welke van de gepolariseerde golflengten werden geabsorbeerd, konden de onderzoekers bepalen in welke richting moleculen in de MOF-film wezen. Bij hogere drukken, toen de MOF-poriën vol waren, ontdekten ze ook defecten die in de MOF-steiger begonnen te verschijnen vanwege de aanwezigheid van de gastmoleculen. Toen de gastmoleculen werden verwijderd, keerden de defecten om, wat de eerste duidelijke waarneming van interacties tussen gast- en gastheermoleculen in de MOF gaf.

Deze resultaten, gepubliceerd in Angewandte Chemie International Edition , zijn slechts het begin, omdat deze techniek kan worden gebruikt om verschillende MOF-films en interacties met gastmoleculen in realtime te bestuderen. Deze nieuwe grens van materiaalwetenschap heeft het potentieel om veel toekomstige uitdagingen van de geesteswetenschappen op te lossen. "Deze resultaten verduidelijken hoe moleculen nanoporiën binnendringen en hoe ze zijn uitgelijnd. Op basis van deze techniek kunnen we verwachten dat we hoogwaardige poreuze materialen zullen ontwikkelen", concludeerde Dr. Bettina Baumgartner. + Verder verkennen

In lijn:het eenvoudige ontwerp en de controle van MOF elektrische stroom