Forskare från Northwestern University har byggt ett strukturellt komplext material från två enkla byggstenar som är den metall-organiska ram med lägsta densitet som någonsin gjorts.

Regisserad av designregler utvecklade av forskarna, uranatomer och organiska länkar sätts ihop till en vacker kristall – en stor, luftigt 3D-nät med mycket rymliga och användbara porer. Porerna är så rymliga, faktiskt, att forskarna har bäddat in ett stort enzym i en por – ingen liten bedrift. Materialet kan fungera som en skyddande ställning för enzymer.

"Vi bygger med en atom-precision, " sa Omar K. Farha, en forskningsprofessor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences som ledde forskningen. "Vårt material börjar på nivån för enskilda atomer, mätt med ångström, och slutar på hundratals mikron nivå, där vi kan hålla den lilla kristallen med en pincett och se den med blotta ögat. "

Studien publicerades i 12 maj-numret av tidskriften Vetenskap .

Materialet är mycket lätt, trots att den är gjord av uran, ett av de tyngsta grundämnena i det periodiska systemet. (Forskarna använde uran 238, en icke-radioaktiv isotop.) Uranatomerna är så långt ifrån varandra i strukturen att det metallorganiska ramverket (MOF) tar titeln med lägst densitet från någon av tävlingarna.

"Det är kontraintuitivt, sa Farha, som specialiserat sig på den rationella utformningen av MOF för katalys, avkännings- och lagringsapplikationer.

"Det här materialet har inte setts eller förutspåtts tidigare. Trots sin enkla början, vår MOF:s struktur har en oöverträffad strukturell komplexitet. Och vi har precis skrapat på ytan av att bygga sofistikerade strukturer med enkla byggstenar."

Upptäckten avslöjar potentialen att skapa allmänna designregler för självmontering av öppna, komplexa strukturer från enkla byggstenar samtidigt som man lyfter fram potentialen för aktinider, som uran, i materialsyntes, Sa Farha.

Forskare kan nu tillämpa den nya uppsättningen designregler för konstruktion nedifrån och upp för att syntetisera olika nya material med förutformade och förutsägbara komplexa strukturer.

Metallorganiska ramverk är välordnade, gitterliknande kristaller. Noderna i gittret är metaller, och organiska molekyler förbinder noderna. Den nya MOF, kallas NU-1301, består endast av uranoxidnoder och organiska länkenheter för trikarboxylat. Denna enkelhet gör MOF industriellt relevant.

Förutom den strukturella komplexiteten, NU-1301 har en mycket stor yta, porvolym och vattenstabilitet och kan användas för att separera små organiska molekyler och stora biologiska molekyler, eller enzymer, baserat på deras storlekar och avgifter.

Varje enhetscell - grundenheten som upprepas i tre dimensioner för att skapa kristallstrukturen - består av 816 urannoder och 816 organiska länkar. En enhetscell mäter 173 ångström över, och det upprepar sig hela tiden. Enhetscellerna samlas i femkanter och hexagoner, så småningom växa till en kristall som kan bli en kvarts millimeter bred.

Uppsatsen har titeln "Bottom-up-konstruktion av en överbyggnad i en porös uran-organisk kristall."