Material som innehåller flera metallelement är viktiga för olika applikationer eftersom kombinationen av olika metallkatjoner ger nya eller förbättrade egenskaper, som inte kan erhållas genom användning av bara en metall. En nyligen genomförd studie som involverar neutrondiffraktionsexperiment har möjliggjort utvecklingen av en ny generell strategi för att producera komplexa material med metallkatjonarrangemang som praktiskt taget kan kontrolleras vid behov för önskade tillämpningar; ett resultat som kommer att få stor betydelse inom olika områden.

Förberedelsen av komplexa material med strukturer som består av flera metallkatjoner som upptar specifika platser är en utmanande uppgift, eftersom det innebär att samtidigt ta itu med införlivandet av olika element på exakta positioner. Dock, dessa multimetallmaterial är viktiga inom olika områden, eftersom kombinationen av metallkatjoner ger nya eller förbättrade egenskaper; något som inte kan uppnås genom att bara använda en metall.

En frekvent användning av blandade metalloxider och salter används som anodmaterial i batterier, på grund av supraledning demonstrerad av flera multimetallfamiljer vars strukturer är sammansatta av flera katjoner kombinerade. Andra applikationer inkluderar dopade metalloxider som används i optiska anordningar och blandade metalloxider som katalysatorer i viktiga kemiska omvandlingar. Dock, användningen av multimetallmaterial för dessa applikationer kommer inte med lätthet; Att syntetisera nya material med strukturer där dispositionen av metallelementen är mycket kontrollerbar är fortfarande en utmaning. Faktiskt, kontroll över arrangemanget av elementen i de flesta befintliga multimetallmaterial har hittills varit begränsad eller till och med obefintlig. Dessutom, det finns begränsningar när det gäller mängden och arten av de element som kan kombineras inom en struktur.

En klass av kristallina material, metall-organiska ramverk (MOFs), består av en kombination av metallkluster som kallas sekundära byggnadsenheter (SBU) och organiska länkar. Medan MOF är konstruerade med bara en metallkatjon traditionellt, de har nyligen visat förmågan att inkorporera flera metallelement i en enda kristallstruktur. Dock, det har saknats grundläggande kontroll över hur de använda metallelementen ska placeras i de flesta av de rapporterade systemen hittills.

En nyligen genomförd studie utförd av ett internationellt samarbete mellan forskningsinstitut (Institut Laue-Langevin (ILL), Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid och Instituto de Ciencia de Materiales de Aragon (båda instituten i det spanska nationella forskningsrådet), IMDEA Energy Institute (ICMA) och Complutense University of Madrid) har rapporterat hur det är möjligt att använda en MOF byggd med en stavformad oorganisk SBU för att kombinera flera metallelement i exakta positioner. Detta resulterar i material med ett arrangemang av metallkatjoner som kan kontrolleras på atomär och mesoskopisk skala.

En neutronpulverdiffraktionsstudie utförd vid ILL avslöjade olika möjliga atomarrangemang av metallkatjonerna inom SBU:erna. Resultaten av detta arbete ger en ny generell strategi för att producera komplexa multimetallmaterial med arrangemang av metallkatjoner som kan virtuellt kontrolleras vid behov för olika önskade tillämpningar. Med tanke på egenskaperna hos material dikteras av deras sammansättning och exakta atomära och mesoskopiska strukturer, dessa fynd kommer att vara av stor relevans och betydelse inom olika områden.

Dr Ines Puente Orench, ILL-forskare och medförfattare till denna studie säger:"Neutroner, och specifikt den högupplösta multidetektorn D2B och den högintensiva pulverdiffraktometern D1B vid ILL, var integrerade i denna studie eftersom de tillät oss att observera de exakta placeringarna av metallelementen i den kristallografiska strukturen. Dessa observationer kunde inte ha gjorts med någon annan teknik, eftersom de inte skulle ha tillåtit de olika metallelementen att särskiljas. Med tanke på det stora antalet befintliga MOF som består av flera SBU:er, denna metod kommer att generaliseras för att framställa nya material med kompositioner som passar för vissa applikationer där flera metallkatjoner kan arrangeras vid önskade och exakta atompositioner."