Le strutture metallo-organiche (MOF) stanno emergendo come materiali multifunzionali che stanno gradualmente trovando una via d'uscita dai laboratori di ricerca e in una miriade di applicazioni del mondo reale. Per esempio, I MOF possono immagazzinare gas pericolosi, catalizzare reazioni chimiche, consegnare farmaci in modo controllato, e può anche essere utilizzato in batterie ricaricabili e celle solari.

Un team di ricercatori del College of Science della Clemson University ha recentemente dimostrato che una nuova architettura MOF a doppia elica, in forma parzialmente ossidata, può condurre elettricità che potenzialmente lo rende un semiconduttore di prossima generazione.

I risultati del team sono descritti nel documento intitolato "The Advent of Electrically Conducting Double-Helical Metal-Organic Frameworks featuring Butterfly-Shaped Electron-Rich -Extended Tetrathiafulvalene Ligands, " che è stato pubblicato il 18 marzo, 2020, come l'articolo di copertina in Materiali applicati e interfacce , una rivista pubblicata dall'American Chemical Society.

I MOF sono costituiti da una serie di ioni metallici collegati da ligandi organici. Progettato atomicamente con grande precisione, possiedono unità ripetitive altamente ordinate che di solito costituiscono strutture porose.

Poiché il primo MOF è stato costruito oltre 20 anni fa, ricercatori in tutto il mondo hanno creato più di 20, 000 diversi MOF realizzati con una varietà di metalli e ligandi organici.

Secondo il professore associato di chimica Sourav Saha, la maggior parte dei MOF esistenti è costituita da ligandi lineari o planari. Però, Saha e il suo team hanno introdotto un a forma di farfalla, ligando convesso in un MOF, che ha portato a una nuova struttura a doppia elica in grado di condurre elettricità una volta parzialmente ossidata dalle molecole di iodio ospiti.

"Questo ligando esteso di tetratiafulvalene (ExTTF) a forma di farfalla è noto da tempo alla comunità chimica, ma non era mai stato incorporato in un MOF prima, " Ha detto Saha. "Introducendolo in un MOF a doppia elica, potremmo creare percorsi di trasporto di carica a forma di S unici che corrono lungo le giunture dei fili vicini. Quando i ligandi ExTTF su un lato di ciascun filamento a doppia elica viene ossidato dallo iodio e quelli sull'altro rimangono neutri, formano catene intermolecolari di trasferimento di carica lungo le cuciture. Gli elettroni possono fluire lungo questo percorso in modo intermolecolare, rendendo il MOF più conduttivo."

La studentessa laureata in chimica Monica Gordillo nel gruppo di ricerca del Dr. Saha ha sintetizzato il MOF a doppia elica tramite un metodo solvotermico, mescolando un sale di zinco e il ligando ExTTF in una certa proporzione. Ha quindi riscaldato la miscela in un forno a circa 65 gradi Celsius per 24 ore.

"Abbiamo questi bellissimi cristalli arancioni simili a piatti, " ha detto Gordillo. "Per realizzare questo materiale emozionante, abbiamo aggiustato le condizioni di questa sintesi, cambiando il rapporto dei solventi, rapporto tra ligandi e ioni metallici (zinco) e la temperatura."

Per creare un percorso di trasporto di carica in grado di condurre elettricità, ha diffuso vapore di iodio nel MOF poroso, facendo sì che un filamento diventasse carente di elettroni mentre l'altro rimaneva ricco di elettroni.

I MOF elettricamente conduttivi possono presentare alcuni vantaggi rispetto ai semiconduttori inorganici convenzionali realizzati in silicio, gallio, o arseniuro, che sono onnipresenti nelle porte logiche, chip di memoria, e altre applicazioni elettroniche. Per esempio, i semiconduttori convenzionali sono sintetizzati a temperature comprese tra 500 e 1, 000 gradi Celsius.

"D'altra parte, I MOF possono essere realizzati in modo più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai semiconduttori inorganici, " Ha detto Saha. "Possono essere sintetizzati ovunque tra la temperatura ambiente e 150 gradi Celsius, pur mantenendo la struttura cristallina altamente ordinata che hanno i semiconduttori convenzionali."

Saha e il suo team intendono continuare a sviluppare nuove architetture MOF con geometrie diverse, composizioni, e funzioni che possono avere applicazioni nell'elettronica futura e nei dispositivi di conversione e accumulo dell'energia.