Le strutture metallo-organiche (MOF) sono materiali con pori di dimensioni nanometriche nelle loro strutture cristalline. Questi pori consentono ai MOF di catturare le molecole in modo così efficiente che ora sono i primi candidati in applicazioni come la cattura del carbonio e il filtraggio dell'acqua.

La sfida con i MOF è la loro stabilità meccanica. I materiali sono vulnerabili a sollecitazioni fisiche e chimiche, che possono influenzare la loro struttura e, in definitiva, la loro prestazione. Poiché molte applicazioni MOF comportano il ciclo tra diverse temperature, pressioni variabili, e altre molecole chimiche che esercitano forze capillari, è diventato fondamentale per il campo che i MOF dispongano di una stabilità meccanica sufficiente.

Ora, il laboratorio di Berend Smit all'EPFL Sion con Lev Sarkisov dell'Università di Edimburgo hanno scoperto come le proprietà meccaniche dei MOF si relazionano alla loro struttura, che è stato a lungo un ostacolo nell'ottimizzazione della stabilità dei materiali.

Per questo studio, gli scienziati si sono concentrati su un tipo popolare di MOF chiamato "quadri imidazolati zeolitici, " che vengono utilizzati nella cattura del carbonio, catalisi, e anche alcune strategie di somministrazione di farmaci. Il team ha sviluppato un software che genera strutture chimiche per progettare un gran numero di questi MOF con diverse strutture molecolari. Studiando questi, sono stati in grado di estrarre principi che collegano le proprietà meccaniche di un MOF alla sua struttura, così come materiali di design con una maggiore stabilità meccanica.

I ricercatori hanno poi "decorato" le parti organiche dei MOF con una varietà di gruppi funzionali, un termine che si riferisce a gruppi di atomi che danno la molecola (in questo caso, il MOF) proprietà caratteristiche specifiche. Questa parte dello studio ha mostrato che, a seconda della struttura dei pori, gli stessi gruppi funzionali possono o indurire la struttura di un MOF e migliorarne la stabilità meccanica, oppure ammorbidirlo e renderlo instabile.

La chiave degli effetti dei gruppi funzionali risiede nelle cosiddette "interazioni non legate, " che si verificano tra atomi senza legame chimico. Le interazioni non legate includono interazioni elettrostatiche e di Van der Waals, quest'ultima regola la formazione di goccioline d'acqua.

Gli scienziati dell'EPFL hanno scoperto che le interazioni non legate svolgono un ruolo importante nella rigidità dei MOF. Ciò significa che i gruppi funzionali posizionati strategicamente possono aiutare a mettere a punto la stabilità meccanica di un MOF introducendo una connettività extra tra i suoi atomi tramite interazioni non legate.

Gli autori descrivono i gruppi funzionali che aiutano a trasportare il carico meccanico applicato al MOF come "Cariatidi chimiche, "riferendosi alle statue di donne che fungevano da colonne di sostegno per strutture nell'antica Grecia, più famosi quelli dell'Eretteo sull'Acropoli di Atene.

"L'aggiunta di un gruppo funzionale può sembrare una decorazione, ma se è posizionato strategicamente, fornisce un rinforzo essenziale della struttura MOF, " dice Berend Smit "Nel nostro laboratorio, abbiamo sviluppato il software che i gruppi sperimentali possono utilizzare per prevedere se l'aggiunta di diversi gruppi funzionali migliora la stabilità meccanica del loro materiale".