I MOF, o strutture metallo-organiche, sono solidi a rete porosa altamente personalizzabili dotati di gabbie di varie dimensioni e in grado di attrarre e trattenere una varietà di componenti chimici, come l'anidride carbonica, metano, e gas idrogeno. Ed è questa specificità versatile che offre ai MOF così tanto potenziale per le applicazioni nelle batterie di nuova generazione e nella cattura del carbonio, tra una lista crescente. Nonostante i loro numerosi tratti positivi, il loro aperto, la struttura porosa, che trattiene gli elettroni, non è l'ideale per le applicazioni che richiedono che gli elettroni fluiscano liberamente con gli ioni (particelle cariche) attraverso un dispositivo per creare una corrente elettrica.

Ora, un team guidato da ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dell'UC Berkeley ha sviluppato una tecnica per realizzare un MOF elettricamente conduttivo che potrebbe essere utilizzato anche per migliorare la conduttività di altri MOF. Il lavoro è stato segnalato in Materiali della natura .

Per aggirare la conduttività elettrica intrinsecamente bassa dei MOF, i ricercatori hanno aggiunto una miscela chimica di potassio a un ferro benzendipirazolato (BDP) MOF. Gli elettroni extra prodotti durante questa reazione possono quindi entrare nel centro di ferro del MOF e condurre elettricità saltando lungo l'asse di un cristallo dei cristalli a forma di bastoncino. Il centro di ferro si comporta come un filo in grado di condurre elettricità.

La maggior parte dei MOF si degrada quando esposta al potassio, ma il ferro BDP MOF presenta robusti canali triangolari che hanno resistito durante una serie di test in cui ogni reazione ha aumentato il numero di elettroni del materiale fino a raggiungere la massima conduttività per quel materiale, risultando in un MOF che conduce elettricità fino a 10, 000 volte meglio di prima ha subito le reazioni del potassio. "È incredibile che questa architettura, una volta incorporato in un dispositivo simile a un transistor delle dimensioni di un micron, ci ha permesso di misurare il numero di elettroni man mano che aumentava con ogni successiva reazione di potassio, " ha detto Jeffrey Long, scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze dei materiali presso il Berkeley Lab e professore di chimica e ingegneria chimica e biomolecolare presso l'UC Berkeley che è stato l'autore principale dello studio.

Un'altra sfida in questo studio è stata la crescita dei MOF in modo che i loro atomi siano prima perfettamente allineati:gli elettroni ¬ devono viaggiare in un percorso rettilineo per generare elettricità e quindi collegare questi dispositivi di dimensioni micron per misurare la loro conduttività. "È stato incredibilmente difficile da fare, " ha detto Long. "Non siamo stati in grado di far crescere cristalli molto grandi di questo MOF, e le dimensioni e la forma in cui crescono i cristalli hanno reso difficile collegarli a un dispositivo. Ma abbiamo trovato un modo per aggirare questo problema".

Lavorando con il laboratorio di Peidong Yang, uno scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze dei materiali presso il Berkeley Lab e professore di chimica e scienza e ingegneria dei materiali presso la UC Berkeley, i ricercatori hanno posizionato contatti di platino su ciascun lato del cristallo MOF, che sono lunghi solo 10 micron, la lunghezza di due globuli rossi allineati uno accanto all'altro. Il MOF appena creato è una continuazione del lavoro riportato per la prima volta dal laboratorio di Long nel 2009.

"Questo MOF non solo ha un'elevata conduttività elettrica, ma la sua catena di ferro al centro può essere traslata in altri MOF piuttosto facilmente senza perdere molta conduttività, " ha detto Michael Aubrey, un ex ricercatore studente laureato nel gruppo Long alla UC Berkeley che ora è ricercatore post-dottorato presso la Stanford University.

Le simulazioni della struttura elettronica dei MOF sono state guidate da Jeff Neaton, direttore della fonderia molecolare del Berkeley Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE specializzata nella ricerca sulle nanoscienze. Il lavoro di diffrazione è stato eseguito presso l'Advanced Photon Source presso l'Argonne National Laboratory.

Questa prima dimostrazione di un MOF 3D altamente conduttivo potrebbe essere di buon auspicio per il suo uso futuro come materiale multiuso per batterie, supercondensatori, e celle a combustibile. Potrebbe anche essere incorporato in materiali compositi esistenti per trasformarli in conduttori porosi. E poiché i componenti organici del MOF a ridotto contenuto di potassio sono commutabili senza compromettere la stabilità o la mobilità degli elettroni, potrebbe anche essere usato per produrre diversi composti per catalizzatori ed elettroliti.

E il futuro per i MOF potrebbe essere ancora più luminoso mentre i ricercatori guardano avanti per "aumentare ulteriormente le conduttività, " Long ha detto. "Se possiamo avere questo livello di conduttività in un materiale in cui gli elettroni si muovono in una dimensione, vorremmo un giorno creare MOF che abbiano elettroni mobili in due o tre dimensioni, " che amplierebbe il loro potenziale per l'elettronica e le applicazioni delle batterie.