Le strutture metallo-organiche (MOF) sono porose, materiali cristallini che possono intrappolare i composti all'interno delle loro cavità molecolari, dando loro una vasta gamma di applicazioni nello stoccaggio e nella separazione del gas, cattura del carbonio, e nella catalisi delle reazioni chimiche, per dirne alcuni. Si sta ora studiando una nuova gamma di applicazioni convertendo i MOF cristallini in stati liquidi e/o vetrosi.

"I MOF sono una classe di materiale relativamente nuova, e la maggior parte di quelli sviluppati negli ultimi 20 anni sono allo stato cristallino, "dice Satoshi Horike, uno scienziato dei materiali dell'Istituto per le scienze integrate dei materiali cellulari (iCeMS) dell'Università di Kyoto. "Recentemente, abbiamo trovato vetro non cristallino o stati liquidi nei MOF e proponiamo che abbiano un grande potenziale come materiali futuri."

Horike ha esaminato gli ultimi progressi e prospettive nel campo, insieme al chimico dei materiali Susumu Kitagawa e ai colleghi per la rivista Angewandte Chemie Edizione Internazionale .

Decine di migliaia di MOF sono stati sintetizzati da quando sono stati scoperti per la prima volta alla fine degli anni '90. I progressi tecnologici stanno ora consentendo ai ricercatori di scoprire cosa succede a livello molecolare quando alcuni MOF vengono riscaldati fino a un punto di fusione e quindi raffreddati per produrre uno stato simile al vetro. Finora, i ricercatori hanno riportato una decina di MOF che possono essere fusi in un liquido e/o trasformati in uno stato di vetro. Le loro temperature di fusione vanno da 184°C a 593°C, a seconda della loro struttura cristallina.

Quando questo tipo di MOF viene riscaldato, i suoi ioni metallici e i ligandi organici iniziano a oscillare all'interno dei cristalli mentre il materiale si scioglie. Anche le distanze di legame nelle sue catene polimeriche si allungano man mano che le temperature continuano ad aumentare. La struttura dello stato cristallino di un MOF è molto ordinata. Lo stato di vetro ha un "ordine di medio raggio, " dove le connessioni si rompono ma porzioni della struttura estesa rimangono generalmente al loro posto. Si verifica una frammentazione molecolare molto maggiore quando un MOF raggiunge lo stato liquido, ma parte della sua struttura interna conserva un elemento di connettività.

Non tutti questi MOF possono essere trasformati in vetro raffreddando il loro stato liquido. Alcuni richiedono un trattamento meccanico simile alla molatura per la formazione del vetro. Durante questo processo, l'aggiunta di determinate sostanze chimiche al materiale potrebbe modulare alcune delle sue proprietà fisiche, come il miglioramento della conduttività protonica.

I MOF liquidi e di vetro potrebbero fornire un nuovo stato di materiale che dimostra porosità, conducibilità ionica, e proprietà ottiche come la luminescenza. Mostrano anche promesse per l'accumulo di calore, nei dispositivi energetici, e per la permeazione di gas. Materiali ibridi che incorporano MOF di vetro o liquidi con altri materiali, come polimeri organici, particelle metalliche, o ioni metallici, potrebbero essere usati come adesivi forti nei dispositivi energetici o nelle reazioni catalitiche.

I ricercatori suggeriscono che gli scienziati dovrebbero rivisitare l'enorme libreria disponibile per i MOF cristallini dal punto di vista del cambiamento di fase in liquido e/o vetro. Ciò potrebbe portare alla progettazione di nuovi materiali funzionali.