Un team di bioingegneri dell'Università dell'Illinois ha dato una nuova occhiata a un vecchio strumento per aiutare a caratterizzare una classe di materiali chiamati strutture metalliche organiche, in breve MOF. I MOF vengono utilizzati per rilevare, purificare e immagazzinare i gas, e potrebbe aiutare a risolvere alcune delle energie più impegnative del mondo, sfide ambientali e farmaceutiche:possono persino estrarre molecole d'acqua direttamente dall'aria per fornire sollievo dalla siccità.

Il gruppo di ricerca, guidato dal professore di bioingegneria Rohit Bhargava, sta utilizzando l'imaging chimico a infrarossi per esaminare e ottimizzare la struttura dei MOF. Sebbene in giro da più di un decennio, L'imaging IR è molto sottoutilizzato nell'analisi dei materiali. I ricercatori hanno scoperto che con alcune modifiche per migliorare la velocità di analisi, è lo strumento perfetto per questa applicazione. I loro risultati sono pubblicati nel Journal of Physical Chemistry Letters .

I MOF sono cristalli porosi su scala microscopica ingegnerizzati da ioni metallici legati insieme da molecole organiche chiamate ligandi. Nonostante siano minuscoli, hanno un'immensa capacità di assorbimento.

"I pori consentono ai MOF di funzionare come minuscole spugne che possono assorbire sostanze chimiche come prodotti farmaceutici e gas, " disse Sanghamitra Deb, un ricercatore post-dottorato presso il Beckman Institute for Advanced Science and Technology presso l'U. of I.

"La struttura precisa e la chimica dei MOF influenzano notevolmente la loro funzionalità, " disse Prabuddha Mukherjee, uno scienziato ricercatore del Beckman Institute. "Perciò, una caratterizzazione dettagliata è essenziale per determinarne il miglior utilizzo."

I metodi tradizionali utilizzati nell'analisi della scienza dei materiali, come la microscopia elettronica e la spettroscopia ad alta potenza, non combinare le intuizioni chimiche con la risoluzione spaziale dell'imaging IR, i ricercatori hanno detto, quindi possono fornire solo misurazioni chimiche medie.

I MOF si formano cristallizzando da una soluzione, e non c'è modo di controllare completamente la loro struttura o chimica. "Questa mancanza di controllo lascia molto spazio alla formazione di difetti, e i metodi tradizionali per la caratterizzazione ci dicono solo che c'è un difetto ma non possono individuare la posizione specifica, " ha detto Mukherjee.

"L'imaging IR ci consente di vedere la chimica e la struttura in un colpo solo, " disse Ayanjeet Ghosh, un ricercatore post-dottorato con il Beckman Institute. "Possiamo risolvere strutture fino a pochi micron e determinarne la composizione chimica su alcune aree di micron, capire come e perché gli spettri cambiano in funzione dello spazio, e farlo con una singola analisi."

L'imaging IR offre anche una gamma di scale unica in cui lavorare, hanno detto i ricercatori.

"Non abbiamo bisogno di vedere fino alla scala atomica, come molti metodi di microscopia elettronica ad alta potenza offrono, " Deb ha detto. "A quella scala, ci vorrebbe molto tempo per scansionare dispositivi realizzati con MOF, che in genere hanno una dimensione di circa un millimetro quadrato."

Finalmente, molte delle altre tecniche tradizionali sono distruttive, il che significa che una volta analizzato con un metodo, il campione non può essere esaminato con strumenti aggiuntivi. "Potremmo essere in grado di individuare un'aberrazione in chimica tramite spettroscopia, ma non abbiamo l'opportunità di vedere dove esiste effettivamente il difetto usando un altro metodo perché il campione ora è sparito, " ha detto Ghosh. "Con l'imaging IR, possiamo fare entrambe le cose contemporaneamente".

"Questo uso unico di una tecnica più antica, ma con nuova strumentazione, ci consente di determinare rapidamente la qualità e la migliore applicazione per MOF specifici in modo non distruttivo, cosa che nessun altro gruppo è stato in grado di fare, " ha detto Mukherjee.

Il gruppo prevede che questa tecnica venga utilizzata con altri dispositivi realizzati in condizioni simili, così come usi al di fuori del regno della scienza dei materiali.