Gli scienziati della Northwestern University hanno costruito un materiale strutturalmente complesso da due semplici elementi costitutivi che è la struttura metallo-organica a densità più bassa mai realizzata.

Diretto da regole di progettazione sviluppate dagli scienziati, atomi di uranio e leganti organici si autoassemblano in un bellissimo cristallo, un grande, rete 3-D ariosa di pori molto spaziosi e utili. I pori sono così ampi, infatti, che gli scienziati hanno annidato un grande enzima all'interno di un poro, cosa non da poco. Il materiale può fungere da impalcatura protettiva per gli enzimi.

"Stiamo costruendo con la precisione di un atomo, " ha detto Omar K. Farha, un professore di chimica del Weinberg College of Arts and Sciences che ha guidato la ricerca. "Il nostro materiale inizia a livello dei singoli atomi, misurato da angstrom, e termina a livello delle centinaia di micron, dove possiamo tenere il piccolo cristallo con una pinzetta e vederlo ad occhio nudo."

Lo studio è stato pubblicato nel numero del 12 maggio della rivista Scienza .

Il materiale è molto leggero, nonostante sia fatto di uranio, uno degli elementi più pesanti della tavola periodica. (Gli scienziati hanno usato l'uranio 238, un isotopo non radioattivo.) Gli atomi di uranio sono così lontani l'uno dall'altro nella struttura che la struttura metallo-organica (MOF) prende il titolo di densità più bassa da qualsiasi competizione.

"È controintuitivo, " disse Farha, specializzato nella progettazione razionale di MOF per catalisi, applicazioni di rilevamento e memorizzazione.

"Questo materiale non è mai stato visto o previsto prima. Nonostante i suoi inizi semplici, la struttura del nostro MOF ha una complessità strutturale senza pari. E abbiamo appena scalfito la superficie della costruzione di strutture sofisticate utilizzando semplici elementi costitutivi".

La scoperta svela il potenziale per creare regole di progettazione generali per l'autoassemblaggio di open, strutture complesse da semplici elementi costitutivi, evidenziando anche il potenziale degli attinidi, come l'uranio, nella sintesi dei materiali, ha detto Farha.

I ricercatori ora possono applicare la nuova serie di regole di progettazione per la costruzione dal basso verso l'alto per sintetizzare vari nuovi materiali con strutture complesse pre-progettate e prevedibili.

Le strutture metallo-organiche sono ben ordinate, cristalli a forma di reticolo. I nodi dei reticoli sono metalli, e molecole organiche collegano i nodi. Il nuovo MOF, chiamato NU-1301, è costituito solo da nodi di ossido di uranio e unità di collegamento organico tricarbossilato. Questa semplicità rende il MOF rilevante a livello industriale.

Oltre alla complessità strutturale, NU-1301 ha una superficie molto elevata, volume dei pori e stabilità dell'acqua e può essere utilizzato per separare piccole molecole organiche e grandi molecole biologiche, o enzimi, in base alle loro dimensioni e tariffe.

Ogni cella unitaria, l'unità di base che si ripete in tre dimensioni per creare la struttura cristallina, è composta da 816 nodi di uranio e 816 linker organici. Una cella unitaria misura 173 angstrom di diametro, e continua a ripetersi. Le celle unitarie si assemblano in pentagoni ed esagoni, alla fine crescendo in un cristallo che può raggiungere un quarto di millimetro di larghezza.

Il documento è intitolato "Costruzione dal basso verso l'alto di una sovrastruttura in un cristallo poroso di uranio organico".