Επιστήμονες ανακαλύπτουν πώς χρησιμοποιώντας «χημικές Καρυάτιδες» βελτιώνουν τη σταθερότητα των μεταλλικοργανικών πλαισίων

Τα μεταλλικοργανικά πλαίσια (MOFs) είναι πορώδη υλικά που μπορούν να αλλάξουν τον τρόπο που κατακρατούμε άνθρακα, τα φίλτρα νερού και μια σειρά άλλων εφαρμογών. Οι χημικοί της EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) έχουν βρει τώρα σύνδεσμο μεταξύ μηχανικής σταθερότητας και δομής, υπερβαίνοντας έτσι ένα σημαντικό εμπόδιο στην βελτιστοποίηση των MOFs.

Τα «μεταλλικοργανικά πλαίσια» (MOFs) είναι υλικά με πόρους νανο-κλίμακας στην κρυσταλλική δομή τους. Οι πόροι αυτοί επιτρέπουν τα MOFs να συλλαμβάνουν μόρια τόσο αποτελεσματικά που τώρα είναι κύριοι υποψήφιοι σε εφαρμογές όπως η κατακράτηση άνθρακα και το φιλτράρισμα νερού. Η πρόκληση με τα MOFs είναι η μηχανική τους σταθερότητα. Τα υλικά είναι ευπαθή σε φυσικές και χημικές τάσεις, που μπορούν να επηρεάσουν τη δομή τους και τελικά τη συμπεριφορά τους. Επειδή πολλές εφαρμογές MOFs σχετίζονται με εναλλαγές μεταξύ διαφορετικών θερμοκρασιών, μεταβαλλόμενες πιέσεις και άλλα χημικά μόρια που ασκούν τριχοειδείς δυνάμεις, κατέστη πρωταρχικό στο πεδίο τα MOFs να παρουσιάζουν επαρκή μηχανική σταθερότητα.

Τώρα, το εργαστήριο του Berend Smit στο EPFL στη Sion, μαζί με τον Lev Sarkisov του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου, ανακάλυψαν πώς σχετίζονται οι μηχανικές ιδιότητες των MOFs με τη δομή τους, πράγμα που ήταν επί μακρόν ένα εμπόδιο στη βελτιστοποίηση της σταθερότητας των υλικών.

Για τη μελέτη αυτή, οι επιστήμονες εστίασαν σε έναν ευρείας χρήσης τύπο των MOFs που ονομάζονται «ιμιδαζολικά ζεολιθικά πλαίσια», που χρησιμοποιούνται στην κατακράτηση του άνθρακα, στην κατάλυση και ακόμη στις στρατηγικές χορήγησης ορισμένων φαρμάκων. Η ομάδα ανέπτυξε λογισμικό που δημιουργεί χημικές δομές για να σχεδιάσει μεγάλους αριθμούς αυτών των MOFs με διαφορετικές μοριακές δομές. Μελετώντας τες, μπόρεσαν να εξαγάγουν αρχές που συνδέουν τις μηχανικές ιδιότητες ενός MOF με τη δομή του, καθώς και να σχεδιάσουν υλικά με αυξημένη μηχανική σταθερότητα.

Στη συνέχεια ο ερευνητές «διακόσμησαν» τα οργανικά μέρη των MOFs με μια ποικιλία λειτουργικών ομάδων, όρος που αναφέρεται σε ομάδες ατόμων που δίνουν στο μόριο (στην περίπτωση αυτή, το MOF) ειδικές χαρακτηριστικές ιδιότητες. Αυτό το τμήμα της μελέτης έδειξε ότι, ανάλογα με τη δομή του πόρου, οι ίδιες λειτουργικές ομάδες μπορούν είτε να σκληραίνουν τη δομή ενός MOF και να αυξάνουν τη μηχανική του σταθερότητα ή να τη μαλακώνουν και να το κάνουν ασταθές.

Το κλειδί των επιδράσεων των λειτουργικών ομάδων έγκειται σε αυτό που αποκαλείται «μη-συνδεδεμένες αλληλεπιδράσεις», που συμβαίνουν μεταξύ ατόμων με μη χημική σύνδεση. Οι μη-συνδεδεμένες αλληλεπιδράσεις περιλαμβάνουν αλληλεπιδράσεις ηλεκτροστατικές και Van der Waals – ο τελευταίες διέπουν το σχηματισμό σταγόνων νερού. Οι επιστήμονες της EPFL βρήκαν ότι οι μη-συνδεδεμένες αλληλεπιδράσεις παίζουν σημαντικό ρόλο στην δυσκαμψία/σκληρότητα των MOFs. Αυτό σημαίνει ότι στρατηγικά τοποθετημένες λειτουργικές ομάδες μπορούν να βοηθήσουν να ρυθμιστεί η μηχανική σταθερότητα ενός MOF με την εισαγωγή επιπλέον συνδεσιμότητας μεταξύ των ατόμων του μέσω των μη-συνδεδεμένων αλληλεπιδράσεων.

Οι συγγραφείς περιγράφουν τις λειτουργικές ομάδες που βοηθούν να σηκώνουν το μηχανικό φορτίο που εφαρμόζεται στο MOF ως «χημικές Καρυάτιδες», αναφερόμενοι στα αγάλματα γυναικών που λειτουργούσαν ως υποστηριχτικές κολώνες για κτίρια στην αρχαία Ελλάδα, με περισσότερο γνωστές αυτές του Ερεχθείου στην Ακρόπολη των Αθηνών.

«Η πρόσθεση μιας λειτουργικής ομάδας μπορεί να μοιάζει διακόσμηση, όμως εάν είναι στρατηγικά τοποθετημένη, παρέχει μια ουσιαστική ενίσχυση της δομής του MOF», ανέφερε ο Berend Smit. «Στο εργαστήριό μας, έχουμε αναπτύξει λογισμικό το οποίο πειραματικές ομάδες μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να προβλέψουν εάν προσθέτοντας διάφορες λειτουργικές ομάδες βελτιώνεται η μηχανική σταθερότητα του υλικού τους».

Πηγή: EPFL

Περισσότερα στη δημοσίευση: Improving the mechanical stability of metal−organic frameworks using chemical Caryatids. ACS Central Science.