Onderzoekers van King Abdullah University of Science and Technology ontwikkelen nieuwe MOF-ontwerpmethode Een eeuwenoude techniek voor het bouwen van gebogen stenen ramen heeft een nieuwe manier geïnspireerd om op maat gemaakte vensters op nanoschaal te vormen in poreuze functionele materialen - metaalorganische raamwerken (MOF's) - die potentiële toepassingen hebben op het gebied van gasscheiding en medische velden. Een moleculaire versie van een architectonisch "gecentreerd sjabloon" wordt gebruikt om de vorming van MOF's met openingen met een vooraf bepaalde vorm en grootte te begeleiden.
Nieuwe MOF's die met deze aanpak zijn ontworpen en vervaardigd, variëren van smal-poreuze materialen met gasscheidingspotentieel tot macroporeuze structuren met potentieel voor medische toepassingen vanwege hun uitstekende zuurstofadsorptievermogen.
"Een van de meest uitdagende doelen bij het ontwerpen van nieuwe structuren is het nauwkeurig beheersen van de vorming van structuren", zegt Aleksandr Sapianik, een postdoc in de groep van Mohamed Eddaoudi die het onderzoek leidde. "Voor netwerkchemie (de assemblage van moleculaire bouwstenen tot poreuze kristallijne materialen, zoals MOF's) realiseerde het onderzoeksteam zich dat het centrerende sjabloonconcept nauwkeurige controle zou kunnen bieden."
Het uitgangspunt voor onderzoek zijn zeolietachtige MOF's (ZMOF's), die doorgaans vijfhoekige vensters hebben, omlijst door bouwstenen die supertetraëders (ST's) worden genoemd. "Ons doel is om de rangschikking van ST's te beheersen van deze bekende topologie naar een topologie die nog nooit eerder is gerapporteerd voordat deze bouwstenen werden gebruikt", zei Sapianik.
Het onderzoeksteam ontwikkelde centrale structuursturende middelen (cSDA) om de ST-uitlijning te controleren en ZMOF-vensters met nieuwe vormen en afmetingen te vormen. Eén set cSDA is ontworpen om de hoek tussen aangrenzende ST-cellen kleiner te maken, waardoor een klein venster wordt gevormd. Een andere set cSDA heeft tot doel de hoek tussen ST-eenheden te vergroten en zo een groter venster te vormen.
Marina Barsukova, een postdoctoraal fellow in het team van Eddaoudi, zei: "MOF-poriegrootte en -volume zijn belangrijke parameters die de toepassing ervan beïnvloeden. Een ZMOF met groot venster (Fe-sod-ZMOF-320), ontworpen door het team, vertoont de hoogste zuurstofadsorptiecapaciteit onder bekende MOF's. Deze eigenschap heeft belangrijke toepassingen in de medische sector en de ruimtevaart. Het is belangrijk in de industrie omdat de hoge capaciteit de hoeveelheid zuurstof die in zuurstofflessen is opgeslagen kan vergroten, of de zuurstofflessen kleiner en gemakkelijker kan maken. Dezelfde ZMOF blinkt ook uit in de opslag van methaan en waterstof, beide potentiële brandstoffen. Andere ZMOF's in de serie met smalle vensters hebben ook potentieel getoond in de gasscheiding van moleculaire mengsels.
Vincent Guillerm, een onderzoekswetenschapper in de groep van Eddaoudi, zei dat het cSDA-concept verschillende voordelen biedt die de prestaties van MOF's kunnen verbeteren. Hij zei: "cSDA scheidt grote vensters in kleinere vensters, en onze voorlopige resultaten laten zien dat dit de chemische scheiding zal bevorderen. Het biedt ook extra interne porieoppervlakken, helpt de gasopslag te verbeteren en versterkt het MOF-framework, waardoor de stabiliteit van het materiaal wordt verbeterd. De gecentraliseerde aanpak die we hebben ontwikkeld is een andere krachtige strategie voor netwerkchemie, die een groot potentieel biedt voor de on-demand productie van MOF's voor toepassingen op het gebied van energiezekerheid en ecologische duurzaamheid."