Ad occhio nudo, le strutture metalliche organiche (MOF) assomigliano un po' alla sabbia. Ma se ingrandisci, vedrai che ogni granello sembra e agisce più come una spugna e ha uno scopo simile. I MOF sono usati per assorbire e trattenere i gas, che è utile quando si cerca di filtrare i gas tossici dall'aria o come un modo per immagazzinare carburante per motori alimentati a gas naturale o idrogeno.

Una nuova ricerca condotta da un team interdisciplinare in sei università esamina il trasferimento di calore nei MOF e il ruolo che svolge quando i MOF vengono utilizzati per lo stoccaggio del carburante. L'autore corrispondente Christopher Wilmer, William Kepler Whiteford Faculty Fellow e assistente professore di ingegneria chimica e petrolifera presso la Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh, coautore del lavoro con i ricercatori della Carnegie Mellon University, l'Università della Virginia, Università del Vecchio Dominio, Università nordoccidentale, e il Karlsruhe Institute of Technology di Karlsruhe, Germania. I risultati sono stati recentemente pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

"Una delle sfide con l'utilizzo di MOF per i serbatoi di carburante nelle auto è che devi essere in grado di fare il pieno in pochi minuti o meno, " spiega Wilmer. "Purtroppo, quando si riempiono rapidamente questi serbatoi a base di MOF con idrogeno o gas naturale, diventano molto caldi. Non è tanto un rischio di esplosione, sebbene ce ne sia uno, ma il fatto che non possono immagazzinare molto gas quando sono caldi. L'intera premessa di usarli per immagazzinare molto carburante gassoso funziona solo a temperatura ambiente. Per altre applicazioni industriali si affronta un problema simile:ogni volta che i gas vengono caricati rapidamente, i MOF si surriscaldano e non funzionano più in modo efficace".

In altre parole, affinché i MOF siano utili per queste applicazioni, avrebbero bisogno di essere mantenuti al fresco. Questa ricerca ha esaminato il trasporto termico nei MOF, per esplorare quanto velocemente possono disperdere il calore in eccesso, e il gruppo ha trovato alcuni risultati sorprendenti.

"Quando prendi questi materiali porosi, quali per cominciare sono termicamente isolanti, e li riempi di gas, sembra che diventino ancora più isolanti. Questo è sorprendente perché di solito, tasche vuote come quelle in isolamento o finestre a doppio vetro forniscono un buon isolamento termico, " spiega Wilmer. "Prendendo materiali porosi e riempiendoli, rimuovendo così quelle lacune, ti aspetteresti che il trasporto termico migliori, rendendolo più termicamente conduttivo. Succede il contrario; diventano più isolanti."

Per giungere alla loro conclusione, i ricercatori hanno condotto due esperimenti simultanei utilizzando due metodi diversi e MOF sintetizzati in due diversi laboratori. Entrambi i gruppi hanno osservato la stessa tendenza:i MOF diventano più isolati quando vengono riempiti con adsorbati. I loro risultati sperimentali sono stati convalidati anche da simulazioni atomistiche a Pitt in collaborazione con la Carnegie Mellon University.

"Il nostro lavoro indica potenziali sfide future per l'uso di MOF al di fuori dei laboratori di ricerca, ma questo è un passaggio necessario nel processo, "dice Alan McGaughey, professore di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon. "Mentre questi materiali avanzano verso l'ampio, utilizzo nel mondo reale, i ricercatori dovranno continuare a indagare sulle proprietà un tempo trascurate di questi materiali, come il trasporto termico, e trovare il modo migliore per usarli per soddisfare le nostre esigenze."