Una classe di materiali chiamati strutture metalliche organiche, o MOF, ha suscitato un notevole interesse negli ultimi anni per una varietà di potenziali applicazioni legate all'energia, soprattutto da quando i ricercatori hanno scoperto che questi materiali tipicamente isolanti potrebbero anche essere resi elettricamente conduttivi.

Grazie alla straordinaria combinazione di porosità e conduttività dei MOF, questa scoperta ha aperto la possibilità di nuove applicazioni nelle batterie, celle a combustibile, supercondensatori, elettrocatalizzatori, e sensori chimici specializzati. Ma il processo di sviluppo di materiali MOF specifici che possiedono le caratteristiche desiderate è stato lento. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che è stato difficile capire la loro esatta struttura molecolare e come influenza le proprietà del materiale.

Ora, i ricercatori del MIT e di altre istituzioni hanno trovato un modo per controllare la crescita dei cristalli di diversi tipi di MOF. Ciò ha permesso di produrre cristalli abbastanza grandi da essere sondati da una batteria di test, consentendo al team di decodificare finalmente la struttura di questi materiali, che ricordano i reticoli esagonali bidimensionali di materiali come il grafene.

I risultati sono descritti oggi sulla rivista Materiali della natura , in un articolo di un team di 20 persone del MIT e di altre università negli Stati Uniti, Cina, e Svezia, guidato da W. M. Keck Professor of Energy Mircea Dincă del Dipartimento di Chimica del MIT.

Poiché i MOF conduttivi sono stati scoperti per la prima volta alcuni anni fa, Dincă dice, molti team hanno lavorato per sviluppare versioni per molte applicazioni diverse, "ma nessuno era stato in grado di ottenere una struttura del materiale con così tanti dettagli". Quanto meglio si comprendono i dettagli di tali strutture, lui dice, "ti aiuta a progettare materiali migliori, e molto più veloce. Ed è quello che abbiamo fatto qui:abbiamo fornito la prima struttura cristallina dettagliata a risoluzione atomica".

La difficoltà nel far crescere cristalli abbastanza grandi per tali studi, lui dice, risiede nei legami chimici all'interno dei MOF. Questi materiali sono costituiti da un reticolo di atomi metallici e molecole organiche che tendono a formare cristalli storti aghiformi o filiformi, perché i legami chimici che collegano gli atomi nel piano del loro reticolo esagonale sono più difficili da formare e più difficili da rompere. In contrasto, i legami nella direzione verticale sono molto più deboli e quindi continuano a rompersi e riformarsi a un ritmo più veloce, facendo sì che le strutture si elevino più velocemente di quanto possano espandersi. I cristalli sottili risultanti erano troppo piccoli per essere caratterizzati dalla maggior parte degli strumenti disponibili.

Il team ha risolto il problema modificando la struttura molecolare di uno dei composti organici nel MOF in modo da modificare l'equilibrio della densità elettronica e il modo in cui interagisce con il metallo. Ciò ha invertito lo squilibrio nelle forze obbligazionarie e nei tassi di crescita, permettendo così la formazione di lastre di cristallo molto più grandi. Questi cristalli più grandi sono stati quindi analizzati utilizzando una batteria di tecniche di imaging basate sulla diffrazione ad alta risoluzione.

Come nel caso del grafene, trovare modi per produrre fogli più grandi del materiale potrebbe essere una chiave per sbloccare il potenziale di questo tipo di MOF, Dinco dice. Inizialmente il grafene poteva essere prodotto solo usando del nastro adesivo per staccare strati spessi un singolo atomo da un blocco di grafite, ma nel tempo sono stati sviluppati metodi per produrre direttamente fogli abbastanza grandi da essere utili. La speranza è che le tecniche sviluppate in questo studio possano aiutare a spianare la strada a progressi simili per i MOF, Dinco dice.

"Questo sta fondamentalmente fornendo una base e un progetto per creare grandi cristalli di MOF bidimensionali, " lui dice.

Come con il grafene, ma a differenza della maggior parte degli altri materiali conduttivi, i MOF conduttivi hanno una forte direzionalità alla loro conducibilità elettrica:Conducono molto più liberamente lungo il piano del foglio di materiale che nella direzione perpendicolare.

Questa proprietà, unita all'altissima porosità del materiale, potrebbe renderlo un forte candidato per essere utilizzato come materiale per elettrodi per batterie, celle a combustibile, o supercondensatori. E quando i suoi componenti organici hanno determinati gruppi di atomi attaccati ad essi che si legano a particolari altri composti, potrebbero essere usati come rivelatori chimici molto sensibili.

Il grafene e la manciata di altri materiali 2-D noti hanno aperto un'ampia gamma di ricerche in potenziali applicazioni nell'elettronica e in altri campi, ma quei materiali hanno essenzialmente proprietà fisse. Poiché i MOF condividono molte delle caratteristiche di quei materiali, ma formano un'ampia famiglia di possibili variazioni con proprietà variabili, dovrebbero consentire ai ricercatori di progettare i tipi specifici di materiali necessari per un uso particolare, Dinco dice.

Per le celle a combustibile, Per esempio, "vuoi qualcosa che abbia molti siti attivi" per la reattività sull'ampia superficie fornita dalla struttura con il suo reticolo aperto, lui dice. O per un sensore per monitorare i livelli di un particolare gas come l'anidride carbonica, "vuoi qualcosa di specifico e che non dia falsi positivi". Questo tipo di proprietà può essere ingegnerizzato attraverso la selezione dei composti organici utilizzati per realizzare i MOF, lui dice.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.