Ceramica, una sorta di monolite policristallino sinterizzato da materiale inorganico, cristalliti non metallici, è normalmente opaco a causa di difetti, vuoti e birifrangenza. L'eliminazione della dispersione della luce interna crea ceramiche trasparenti o ottiche.

Jie-Peng Zhang e collaboratori della Sun Yat-Sen University hanno sviluppato nuove strutture metallo-organiche per la preparazione di ceramiche ottiche. Hanno pubblicato i loro risultati in Scienza Cina Materiali .

Il gruppo di Zhang è stato impegnato nello sviluppo di strutture metallo-organiche e nelle loro applicazioni nell'adsorbimento, separazione e rilevamento per lungo tempo. La ceramica ottica è un tipo speciale di ceramica, e, come singoli cristalli, sono otticamente trasparenti. Lo sviluppo della ceramica ottica si basa fortemente sui materiali precursori.

"Per rendere trasparente la ceramica, il poro interno e l'impurità dovrebbero essere ridotti al minimo a zero. Questa è una richiesta molto severa, " dice Zhang. "I precursori non solo necessitano di elevata purezza e distribuzione uniforme delle dimensioni, ma deve essere cristallizzato in simmetria cubica per rimuovere l'effetto di birifrangenza."

Inoltre, la preparazione della ceramica richiede un processo di sinterizzazione ad alta temperatura. Perciò, ad oggi, solo pochi materiali possono essere utilizzati per le ceramiche ottiche.

Polimeri di coordinazione porosi, noti anche come strutture metallo-organiche (MOF), hanno catturato un'attenzione diffusa per l'adsorbimento, catalisi, sensoristica e ottica. "Però, comunemente, sono polveri microcristalline, ", afferma. "È ancora difficile preparare membrane MOF e cristalli singoli di alta qualità e di grandi dimensioni".

Nonostante la bassa solubilità nei comuni solventi, i nanocristalli e le unità edilizie dei MOF hanno un tasso di cambio notevole, soprattutto in grani di piccola dimensione e grande curvatura. Zhang dice, "È essenziale per la crescita dei cristalli e i processi di scambio ionico/ligando dei MOF". Un monolite condensato può essere formato guarendo i difetti all'interno degli aggregati che sono assemblati da nanocristalli MOF.

Zhang dice, "Questa filosofia ci motiva ad impiegare i nanocristalli MOF come precursori e poi a fonderli in un monolite trasparente, cioè., ceramiche ottiche metallo-organiche (MOOC)."

Il 2-metilimidazolato di zinco (II) di tipo SOD, vale a dire MAF-4 o ZIF-8, è il primo MOF con topologia zeolitica naturale e simmetria cristallina, ampiamente studiato per la sua speciale struttura dei pori e l'elevata stabilità. Zhang dice, "Sperimentalmente, abbiamo usato l'etanolo come solvente per produrre nanocristalli MAF-4 con un diametro di 20 nm, e la sostanza gelatinosa ottenuta per centrifugazione è stata essiccata all'aria a temperatura ambiente naturalmente, che si trasforma infine nei monoliti incolori e trasparenti o MOOC-1, con l'84% di trasmittanza ottica. Se si essiccano i campioni ad alta temperatura o sotto vuoto, proprio come i processi generali nelle sintesi MOF, si possono ottenere i MOF solo come comuni polveri bianche."

L'analisi di diffrazione dei raggi X indica che MOOC-1 è policristallino anziché monocristallo o vetro. Le porosità all'interno di MOF-4 e dei suoi assemblaggi consentono il colorante luminescente, sulforodamina 640 (SRh), da drogare in MOOC-1 per formare una ceramica ottica luminescente SRh@MOOC-1, che produce un'emissione spontanea amplificata (ASE) con una soglia di bassa energia di 31 micro-Joule per centimetro quadrato stimolata da un laser a 532 nm. "Questo valore è inferiore rispetto ai precedenti rapporti di ASE/lasing basato su MOF. Inoltre, abbassare la velocità di evaporazione del solvente è un metodo efficace per fondere i nanocristalli MOF in un cristallo denso e trasparente, " dice Zhang.

Prof. Xiao-Ming Chen alla Sun-Yat Sen University, il fondatore di MAF-4, dice, "Questa strategia estende l'ambito candidato delle ceramiche ottiche e apre un nuovo modo per sviluppare dispositivi basati su MOF per ottiche, adsorbimento, applicazioni di separazione e rilevamento."