La struttura metallo-organica forma un'impalcatura, con pori di dimensioni nanometriche che trattengono le molecole (a sinistra). Quando le molecole di gas n-esano vengono aggiunte ai pori sotto pressione, le molecole si allineano in un effetto "barattolo di sardine" (a destra). Credito:Università metropolitana di Osaka
La maggior parte delle persone non pensa a come le molecole si inseriscono negli spazi ultra piccoli tra le altre molecole, ma questo è ciò a cui il team di ricerca del professor Masahide Takahashi pensa ogni giorno all'Università Metropolitana di Osaka. Studiano strutture metallo-organiche (MOF), composte da ioni metallici e molecole (leganti organici) disposti in modo modulare, che formano un'impalcatura. Gli ioni metallici agiscono come angoli collegati da linker organici più lunghi. Un MOF può essere realizzato utilizzando diversi metalli e linker organici, quindi possono essere progettati per specifiche proprietà chimico/fisiche, attraenti per il rivestimento di sensori in dispositivi ottici ed elettronici. Questo perché l'impalcatura MOF lascia molto spazio interno aperto. Questi pori possono ospitare numerose molecole ospiti che possono accedere all'enorme superficie interna dei MOF, il che li rende ideali per lo sviluppo di materiali catalitici, lo stoccaggio del gas, la separazione del gas e il risanamento ambientale.
Utilizzando uno spettrometro per misurare il MOF e l'assorbanza della molecola ospite di due tipi di luce infrarossa diversamente polarizzati, il metodo del team di ricerca è il primo a misurare le interazioni ospite-ospite e ospite-ospite e farlo in tempo reale. La spettroscopia a infrarossi è comunemente utilizzata nei laboratori e le aggiunte necessarie per la polarizzazione della luce utilizzano materiali minimi, inclusi componenti stampati in 3D facilmente replicabili. Ciò rappresenta un enorme progresso nello studio MOF, che lo rende molto più accessibile rispetto alla diffrazione di raggi X o alla spettroscopia di risonanza magnetica nucleare a stato solido precedentemente utilizzate.
Una proprietà unica dei MOF è che possono cambiare la loro conduttività e fotoluminescenza aumentando o diminuendo il numero di molecole ospiti che sono ospitate nei loro pori. Quando sono ben imballate, le molecole ospiti possono allinearsi, creando differenze dipendenti dalla direzione rispetto all'assorbimento della luce e alla resistenza elettrica. I ricercatori hanno coniato questo fenomeno l'effetto "lattina di sardine" perché le molecole nei gas non sono sempre rotonde, molecole di gas di forma diversa spesso agiscono come "sardine" quando sono confinate in una "lattina" di nanopori. Quando si aggiungono lunghe molecole, si scontrano l'una contro l'altra fino a quando non sono fianco a fianco, imballate in modo efficiente e puntano nella stessa direzione, proprio come le sardine.
Se fai brillare una luce attraverso il lato di una lattina di sardina trasparente, potresti avere una buona idea della direzione in cui le sardine sono state allineate in base alle loro ombre. Tuttavia, i film MOF e le molecole ospiti sono troppo piccoli per proiettare ombre, quindi i ricercatori hanno utilizzato una caratteristica diversa della luce:la polarizzazione. I ricercatori hanno utilizzato la luce infrarossa in due polarizzazioni e hanno misurato l'assorbanza della molecola ospite per ciascuna polarizzazione separatamente. As the partial pressure of the gas in the MOF film was increased, the guest molecules began to align, increasing the absorbance of one polarization.
This allowed the researchers to find the partial pressure where the host molecules aligned and how they interacted at different pressures. The molecular bonds between different atoms absorb specific wavelengths of infrared light. By comparing which of the polarized wavelengths were absorbed, the researchers could determine the direction molecules in the MOF film were pointing. At higher pressures, when the MOF pores were full, they also discovered defects that began to appear in the MOF scaffold due to the presence of the guest molecules. When the guest molecules were removed, the defects reversed, giving the first clear observation of interactions between guest and host molecules in the MOF.
These results, published in Angewandte Chemie International Edition , are only the beginning, as this technique can be used to study different MOF films and guest molecule interactions in real-time. This new frontier of materials science has the potential to solve a lot of humanities' future challenges. "These results clarify how molecules enter nanopores and how they are aligned. Based on this technique, we can expect to develop high-performance porous materials," concluded Dr. Bettina Baumgartner. + Esplora ulteriormente
