I ett labb strax utanför Barcelona, små partiklar ordnar sig i ordnade 3D-strukturer, som små animerade legoklossar som klickar sig på plats. Dessa partiklar är mycket porösa organisk-oorganiska hybrider vars storlek och form kan kontrolleras för att justera egenskaperna hos den resulterande ensemblen.

Självmontering har länge varit allestädes närvarande i kemi, materialvetenskap och biologi, men det framstår nu som en effektiv väg till en rad material med enhetliga strukturer, särskilt på nanoskala. Många studier hittills har rapporterat syntesen av polymera och metallbaserade partiklar som spontant självmonterar sig till ordnade 3D-överbyggnader. I dag, forskare vid Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) och Institute of Materials Science of Madrid (ICMM-CSIC) presenterar sina resultat i relation till hybridmetall-organiska partiklar, lägga till metallorganiska ramverk (MOF) till listan över föreningar som kan syntetiseras för 3-D självmontering.

Kanonkulor staplas lätt upp tack vare sin form, passar på plats oavsett deras orientering. Tegelstenar, dock, måste anpassas på rätt sätt för att skapa en välordnad hög. När detta utförs på nanoskala, problemen är desamma. Ett villkor för denna stop-motion Lego-effekt är att alla syntetiserade partiklar har samma storlek (monodispersitet) och form, så att när de klickar på plats, det resulterande arrangemanget är välordnat, välpackad och funktionell.

Tills nu, detta hade aldrig uppnåtts för kristallina hybridföreningar som MOF, trots deras polyedriska geometrier. Men i detta senaste verk, publiceras denna vecka i Naturkemi , Spanska forskare rapporterar den framgångsrika syntesen av MOFs "ZIF-8" och "UiO-66" med den erforderliga homogeniteten i storlek och form.

De resulterande 3D-överbyggnaderna, består av många miljarder identiska partiklar ordnade i kristaller flera millimeter tvärs över, nuvarande egenskaper som är typiska för fotoniska kristaller, ett lovande nytt material för manipulering av ljus. Som sådan, de nya strukturerna sprider ljus på ett sätt som ger färg utan användning av pigment eller färgämnen, känd som strukturell färg. Vidare, genom att kontrollera storleken och formen på partiklarna vid syntes, forskare kan justera materialets fotoniska bandgap för att avgöra vilken färg som uppnås.

Byggd av MOFs, de nya strukturerna har också hög porositet, en funktion som kan utnyttjas i avkänningsapplikationer. Olika ämnen som absorberas i porerna gör att ljuset bryts i olika färger. Denna effekt kan ställas in så att en given färg indikerar närvaron av en given substans. Möjligheten att bilda 3D-överbyggnader från porösa enheter öppnar också dörren till applikationer baserade på inriktningen av porerna i stor skala, till exempel, att producera förbättrade membran för gasadsorption och katalys.