Metallorganiska ramverk (MOF) är material med porer i nanostorlek i sina kristallstrukturer. Dessa porer tillåter MOF att fånga molekyler så effektivt att de nu är främsta kandidater i tillämpningar som kolavskiljning och vattenfiltrering.

Utmaningen med MOF är deras mekaniska stabilitet. Materialen är sårbara för fysisk och kemisk stress, som kan påverka deras struktur och, i sista hand, deras prestation. Eftersom många MOF -applikationer innebär att man cyklar mellan olika temperaturer, varierande tryck, och andra kemiska molekyler som utövar kapillärkrafter, Det har blivit av största vikt för fältet att MOF har tillräcklig mekanisk stabilitet.

Nu, labbet av Berend Smit vid EPFL Sion med Lev Sarkisov från University of Edinburgh har upptäckt hur de mekaniska egenskaperna hos MOFs relaterar till deras struktur, vilket länge varit ett hinder för att optimera materialens stabilitet.

För denna studie, forskarna fokuserade på en populär typ av MOF som kallas "zeolitiska imidazolat-ramverk, "som används vid kolavskiljning, katalys, och till och med några läkemedelsleveransstrategier. Teamet utvecklade mjukvara som genererar kemiska strukturer för att designa ett stort antal av dessa MOF med olika molekylära strukturer. Genom att studera dessa, de kunde extrahera principer som kopplar de mekaniska egenskaperna hos en MOF till dess struktur, samt designmaterial med förbättrad mekanisk stabilitet.

Forskarna "dekorerade" sedan de organiska delarna av MOF med en mängd olika funktionella grupper, en term som hänvisar till grupper av atomer som ger molekylen (i detta fall, MOF) specifika karakteristiska egenskaper. Denna del av studien visade att, beroende på porstrukturen, samma funktionella grupper kan antingen härda en MOF:s struktur och förbättra dess mekaniska stabilitet, eller mjuka upp den och göra den instabil.

Nyckeln till effekterna av funktionella grupper ligger i det som kallas "icke -bundna interaktioner, " som uppstår mellan atomer utan kemisk bindning. Icke-bundna interaktioner inkluderar elektrostatiska och Van der Waals-interaktioner - den senare styr bildandet av vattendroppar.

EPFL-forskarna fann att icke-bundna interaktioner spelar en viktig roll för MOF:s styvhet. Detta innebär att strategiskt placerade funktionella grupper kan hjälpa till att justera den mekaniska stabiliteten hos en MOF genom att införa extra anslutning mellan dess atomer via icke -bundna interaktioner.

Författarna beskriver de funktionella grupperna som hjälper till att bära den mekaniska belastningen som appliceras på MOF som "kemiska karyatider, " med hänvisning till statyerna av kvinnor som fungerade som stödpelare för strukturer i antikens Grekland, mest känt de av Erechtheion på Akropolis i Aten.

"Tillägget av en funktionell grupp kan se ut som en dekoration, men om det är strategiskt placerat, det ger en väsentlig förstärkning av MOF -strukturen, " säger Berend Smit "I vårt labb, vi har utvecklat programvaran som experimentella grupper kan använda för att förutsäga om att lägga till olika funktionella grupper förbättrar den mekaniska stabiliteten hos deras material."