In uno studio appena pubblicato sulla rinomata rivista Materiali funzionali avanzati , un team di ricercatori americani e olandesi presenta strategie di progettazione per regolare il comportamento di espansione termica di strutture metallo-organiche microporose (MOF). In particolare, la capacità di realizzare coefficienti di espansione termica negativi è di grande rilevanza per la potenziale applicazione dei MOF, ad esempio alle interfacce dei materiali dove potrebbero prevenire fessurazioni e spellature. Il Dr. David Dubbeldam e il Dr. Jurn Heinen del Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) dell'Università di Amsterdam hanno contribuito alla ricerca, che includeva sia il lavoro sperimentale che la simulazione al computer.

In materia condensata, un aumento della temperatura generalmente porta ad un aumento del volume. Nelle applicazioni in cui i materiali sono collocati in ambienti confinati, questo fenomeno di espansione termica positiva (PTE) può causare stress significativi o persino guasti catastrofici del dispositivo. Alle interfacce dei materiali in rivestimenti o film, una mancata corrispondenza delle proprietà di espansione termica può portare a screpolature e distacchi. La disponibilità di materiali con un comportamento di espansione termica su misura mitigherebbe tali problemi e sarebbe di valore significativo per una varietà di altre sfide di progettazione e ingegneria dei materiali.

MOF come classe emergente di materiali con espansione termica negativa

Si prevede che le strutture metallo-organiche (MOF) mostrino una diffusa espansione termica negativa (NTE), dovuto in parte alla loro nanoporosità e alle caratteristiche di struttura flessibile. Sono particolarmente intriganti come materiali NTE poiché offrono una grande flessibilità di progettazione, una caratteristica che li distingue dai materiali zeolitici NTE. I MOF sono formati dall'assemblaggio di una grande varietà di nodi inorganici e ligandi organici multitopici. Questi ultimi consentono anche un maggiore grado di flessibilità strutturale che può promuovere ulteriormente il loro potenziale per l'esposizione di NTE su larga scala.

Strategie di progettazione per adattare l'espansione termica in MOF microporosi

Le strategie di progettazione MOF ora pubblicate in Materiali funzionali avanzati sono il risultato di uno sforzo collaborativo americano/olandese in cui la ricerca sperimentale presso i Sandia Labs (Livermore, California, Stati Uniti) e Georgia Tech (Atlanta, Georgia, U.S.) è stato supportato da simulazioni al computer eseguite dal Dr. Jurn Heinen e dal Dr. David Dubbeldam del gruppo di Chimica Computazionale presso il Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (Amsterdam, Paesi Bassi). Heinen si è anche unito all'autore principale Nicholas Burtch (Sandia) nella raccolta di dati di diffrazione della radiazione di sincrotrone su molti campioni MOF presso l'Advanced Photon Source (APS) presso l'Argonne National Laboratory (Lemont, Illinois, NOI.).

Variando indipendentemente il metallo, legante, topologia, e specie ospiti, i ricercatori hanno stabilito come le caratteristiche di espansione termica del MOF possono essere regolate in direzione positiva o negativa. Presentano varie strategie di progettazione per personalizzare il comportamento di espansione termica MOF variando le loro proprietà strutturali e l'ambiente ospite, come riassunto nella figura sottostante.

I ricercatori pubblicano anche una concisa guida alla selezione per i materiali NTE isotropi basata sui valori medi del coefficiente di espansione termica riportati per i materiali selezionati su vari intervalli di temperatura. A seconda dell'applicazione di destinazione, I MOF possono fornire vantaggi rispetto alle classi di materiali tradizionali che includono una gamma estesa su cui è esposto NTE, chimica migliorata, meccanico, e proprietà di stabilità termica e, a causa della loro porosità, lo sfruttamento dell'ambiente ospite come strategia di controllo dell'espansione termica. Un ampio spazio progettuale può essere coperto attraverso un'ulteriore caratterizzazione delle migliaia di MOF che sono già stati sintetizzati e riportati in letteratura. Però, prima di diventare utile nelle applicazioni dei materiali compositi, devono essere condotti studi su come l'espansione termica negativa su scala nanometrica (cristallografica) riscontrata nei MOF si traduca in una riduzione del coefficiente di espansione termica su scala macroscopica (bulk).

Più generalmente, una comprensione fondamentale dell'espansione termica MOF è fondamentale per far avanzare il loro utilizzo in un'ampia gamma di potenziali applicazioni che includono monoliti rivestiti, sensori microcantilever, e dispositivi elettronici. In ciascuno di questi scenari, si verificheranno variazioni di temperatura, e una mancata corrispondenza nel coefficiente medio di espansione termica del MOF e del suo materiale di substrato produrrà sollecitazioni residue che possono portare a un comportamento di fessurazione e distacco o compromettere l'adesione tra il MOF e il suo strato interfacciato.