Forskare vid universitetet i Gent undersökte hur så kallade metallorganiska ramverk andas när det blir varmare eller kallare. Med hjälp av avancerade datorsimuleringar, de fann att temperaturen vid vilken dessa material plötsligt expanderar eller krymper är inställbar. Deras resultat tillåter design av termostater som fungerar på molekylär nivå.

Forskningen utfördes vid Centre for Molecular Modeling vid Gents universitet under ledning av prof. V. Van Speybroeck och i samarbete med universitetet i Wien. Det dyker upp i Naturkommunikation Denna vecka.

Geniala porer

Metallorganiska ramverk är fulla av små porer, inte mer än en miljarddels meter i diameter. Trots denna begränsade storlek, porerna erbjuder möjligheter för ett brett utbud av banbrytande applikationer. Metallorganiska ramverk har hittills uppmärksammats för upptäckt av kemiska vapen, transport av läkemedel i blod eller fångst av växthusgaser.

Materialdesign genom datorsimuleringar

Forskarna vid Center for Molecular Modeling fokuserade på andningsversionerna av metallorganiska ramverk. Porerna i dessa material öppnas eller stängs när de värms upp eller svalnar. Detta andningsbeteende ger upphov till en plötslig ökning eller minskning av volymen. UGent-forskarna visade nu att temperaturen vid vilken detta fenomen inträffar beror på sammansättningen av de metallorganiska ramverken. Deras molekylära byggstenar kan därför väljas som en funktion av den temperatur vid vilken en reaktion krävs. Särskilt, växlingstemperaturen är resultatet av en subtil balans mellan attraktionen mellan porväggarna och atomernas rörlighet.

Molekylär termostat

Resultaten av studien öppnar nya perspektiv för design av termostater begränsade till en handfull atomer. Sådana material är nödvändiga för att kunna hantera den progressiva miniatyriseringen av olika applikationer, allt från elektronik till biologi. Omvandlingen av värme till volymförändring erbjuder dessutom möjligheter att utnyttja energi på de minsta längdskalorna.