Il potenziale applicativo delle strutture metallo-organiche è stato scoperto per la prima volta circa 20 anni fa, e quasi 100, Da allora sono stati identificati 000 di questi materiali porosi ibridi. Ci sono grandi speranze per le applicazioni tecniche, soprattutto per MOF flessibili. Come ammortizzatori, Per esempio, potrebbero reagire all'alta pressione improvvisa chiudendo i pori e perdendo volume, cioè deformarsi plasticamente. Oppure potrebbero separare le sostanze chimiche l'una dall'altra come una spugna assorbendole nei loro pori e rilasciandole nuovamente sotto pressione. "Ciò richiederebbe molta meno energia rispetto al normale processo di distillazione, " spiega Rochus Schmid. Tuttavia, fino ad oggi sono stati identificati solo alcuni MOF flessibili di questo tipo.

MOF sotto pressione

Per andare a fondo dei meccanismi sottostanti all'interno di tali materiali, il team di Monaco ha effettuato un'analisi sperimentale più dettagliata di un MOF già ampiamente noto. A tal fine, i ricercatori lo hanno sottoposto a pressione uniforme da tutti i lati, osservando ciò che accade all'interno utilizzando l'analisi della struttura a raggi X.

"Volevamo sapere come si comporta il materiale sotto pressione e quali fattori chimici sono la forza trainante delle transizioni di fase tra lo stato a poro aperto e quello a poro chiuso, " dice Gregor Kieslich. L'esperimento ha mostrato che la forma a pori chiusi non è stabile; sotto pressione il sistema perde il suo ordine cristallino, in breve:si rompe.

Questo non è il caso di una variante della stessa struttura di base:se il team ha attaccato catene laterali flessibili di atomi di carbonio ai pezzi di collegamento organici del MOF che sporgono nei pori, il materiale è rimasto intatto quando compresso e ha ripreso la sua forma originale quando la pressione è diminuita. I bracci in carbonio hanno trasformato il materiale non flessibile in un MOF flessibile.

Il segreto della trasformazione di fase

Il team di Bochum ha studiato i principi sottostanti utilizzando la chimica al computer e le simulazioni di dinamica molecolare. "Abbiamo dimostrato che il segreto sta nei gradi di libertà delle catene laterali, la cosiddetta entropia, " delinea Rochus Schmid. "Ogni sistema in natura si sforza per la massima entropia possibile, per dirla semplicemente, il maggior numero possibile di gradi di libertà per distribuire l'energia del sistema."

"Il gran numero di possibili disposizioni dei bracci di carbonio nei pori assicura che la struttura a pori aperti del MOF sia stabilizzata entropicamente, " Continua Schmid. "Ciò facilita una trasformazione di fase dalla struttura a pori aperti a quella a pori chiusi e viceversa, invece di rompersi quando i pori vengono schiacciati insieme come sarebbe il caso senza i bracci di carbonio." Per calcolare un sistema così grande composto da molti atomi e cercare le molte possibili configurazioni dei bracci nei pori, il team ha sviluppato un modello teorico preciso e numericamente efficiente per la simulazione.

Il risultato chiave dello studio è l'identificazione di un'altra opzione chimica per controllare e modificare il comportamento di risposta macroscopica di un materiale intelligente mediante un fattore termodinamico. "I nostri risultati aprono nuovi modi per ottenere in modo specifico trasformazioni di fase strutturale in MOF porosi, " conclude Gregor Kieslich.