Le strutture metallo-organiche (MOF) sono materiali ibridi organici-inorganici cristallini porosi che, riempiendo i loro pori con molecole ospiti, può creare funzionalità attraverso interazioni tra le strutture a base organica-inorganica del MOF (ospite) e le sue molecole ospiti. Questa chimica ospite-ospite ha il potenziale per apportare proprietà elettriche "progettabili", consentendo di organizzare un materiale in modi mai prima d'ora possibili, aprendo la strada alla prossima generazione di dispositivi intelligenti a film sottile.

"Però, la maggior parte dei MOF mostra una scarsa conduttività elettrica, " afferma il professor Masahide Takahashi, "a causa della natura isolante dei leganti organici e degli spazi tra le varie forme che compongono il materiale cristallino." Il suo gruppo di ricerca dell'Università della prefettura di Osaka, La Graduate School of Engineering ha sviluppato un metodo per progettare e controllare il percorso del flusso di elettroni in un materiale policristallino e ha realizzato un materiale a film sottile che mostra un'elevata conduttività in una direzione controllabile. Il loro lavoro è stato segnalato il 4 giugno, 2021, nel Journal of Materials Chemistry A .

Considera il flusso di elettroni creato dall'interazione tra il MOF ospite e le sue molecole ospiti. Immagina un materiale ospite costituito da un cristallo della stessa forma, come un conduttore monocristallino incontaminato. Poiché l'intera massa è una forma, non ci sarebbero spazi tra le sue molecole ospiti, e quindi grande conducibilità. Il rovescio della medaglia è che la lavorazione di questo materiale per fabbricare altri dispositivi richiederebbe temperature e pressioni elevate e un controllo preciso dell'atmosfera per mantenere la sua forma uniforme. Finora questo si è dimostrato poco pratico. Un materiale policristallino è costituito da piccoli cristalli di varie dimensioni e forma. Questo lo libera dallo stesso ostacolo di mantenere una forma uniforme durante la lavorazione, rendendolo un materiale candidato per la produzione di un'ampia gamma di dispositivi a film sottile di nuova generazione. Però, "per esibire funzioni di conduttività simili a cristalli singoli, avremmo bisogno di un metodo per allineare i grani di cristallo senza spazi vuoti", afferma il professore associato Kenji Okada.

Questi grani di cristallo nei MOF sono come pori di dimensioni molecolari che possono ospitare molecole specifiche con un orientamento e una spaziatura specifici. Invece di capire come allineare la forma di ciascun poro a ciascuna molecola per facilitare la conduttività, il team si è concentrato sulle regolarità dei gruppi idrossilici di superficie degli idrossidi metallici. Utilizzando una combinazione di corrispondenza reticolare e legame di interfaccia, il team ha determinato due tipi di relazioni di orientamento, o percorsi conduttivi, e realizzò un orientamento in cui il percorso nel piano era 10 volte più conduttivo dell'altro.

"Combinando l'approccio della crescita epitassiale con la tecnologia della litografia UV, " afferma il professor Takahashi, "siamo stati in grado di creare film MOF policristallini semiconduttori orientati indipendentemente dalla forma dei singoli cristalli".