Kyoto Universitys forskare är ett steg närmare att designa porösa material som kan ändra och behålla sina former - en funktion som kallas formminneseffekt.

Formminnesmaterial har tillämpningar inom många områden. Till exempel, de kan implanteras i kroppen och sedan få dem att ändra form för en specifik funktion, som att fungera som ställning för benvävnadsregenerering. Formminneseffekten är väl dokumenterad i vissa material, inklusive keramik och metallegeringar. Men det är sällsynt och dåligt förstått i kristallina porösa material.

Nu, Susumu Kitagawa från Kyoto University's Institute for Integrated Cell-Material Sciences och kollegor i Japan, Irland och USA har visat en formminneseffekt i ett flexibelt metallorganiskt material - bara den andra sådan observation som någonsin rapporterats. De beskriver sina fynd i tidningen Vetenskapens framsteg .

Kristaller framställdes genom att lösa en blandning av kemikalier och zinknitrathexahydrat i ett vanligt lösningsmedel som kallas dimetylformamid vid 120°C under 24 timmar. Med hjälp av en röntgenteknik som kallas enkristallröntgendiffraktion, laget studerade kristallernas struktur. De fann att de var gjorda av något förvrängda skovelhjulsformade galler, som var gjorda av centrala zinkjoner kopplade till omgivande organiska molekyler. Denna "alfafas" av kristallen hade 46 procent porositet, vilket betyder att 46 procent av dess volym var tillgänglig för att ta emot nya molekyler; egenskapen som gör porösa material lämpliga för en mängd olika applikationer.

När teamet värmde upp alfakristallen vid 130°C i vakuum i 12 timmar, kristallen blev tätare, dess galler blev mer förvrängda, och dess porositet reducerades till endast 15 procent. De kallade denna fas av kristallen dess betafas.

De tillsatte sedan koldioxid till kristallen vid en temperatur av -78°C. Koldioxid adsorberades i kristallens porer och kristallens form ändrades till mindre förvrängda gitter än de i betafasen. Den tillgängliga volymen för att ta emot gästmolekyler ökade till 34 procent. När laget tillsatte och tog bort koldioxid från kristallen under tio på varandra följande cykler, de fann att den behöll sin form. De kallade denna fas av kristallen dess 'form-minne' gamma-fas.

Att tillsätta kväve eller kolmonoxid under varierande temperaturer inducerade också kristallens omvandling från dess beta till dess gammafas.

Teamet kunde återställa kristallens gammafas till sin betafas genom att värma den vid 130 ° C i vakuum i två timmar. För att återgå till alfafasen, gammafasen av kristallen blötlades i dimetylformamid i fem minuter.

Teamets analyser av kristallen gjorde det möjligt för dem att få en bättre förståelse för hur dess funktion förändras tillsammans med strukturen. Forskarna noterar att deras arbete kan utgöra grunden för att designa fler exempel på porösa material med formminne.