Bilder tagna med ett atomkraftmikroskop har gjort det möjligt för forskare att observera, för första gången, de flexibla och dynamiska förändringarna som sker på ytorna av "porösa koordinationspolymer"-kristaller när gästmolekyler introduceras. Resultaten, publiceras i tidskriften Naturkemi , få konsekvenser för undersökningar av material som kan användas för lagring och avkänning av molekyler.

"Vi blev förvånade över att finna att den porösa koordinationspolymerytan är exceptionellt flexibel och ständigt fluktuerande i lösning, " säger Nobuhiko Hosono vid Kyoto University's Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS), "tvärtemot den vanliga uppfattningen att kristallen är hård och orörlig."

Porösa koordinationspolymerer är kristallina material som bildas genom självmontering av metalljoner och organiska bindande molekyler som kallas ligander. De undersöks för närvarande av materialforskare på grund av deras förmåga att ändra sin struktur när andra molekyler introduceras till dem eller när de utsätts för vissa yttre stimuli, utan att förlora sin kristallinitet. Denna egenskap gör dem attraktiva för att utveckla enheter som selektivt kan adsorbera gasmolekyler och på så sätt filtrera eller lagra dem, som att lagra väte för energi.

Även om forskare är medvetna om att vissa kristallina strukturer förändras när de utsätts för vissa molekyler, de hade ännu inte kunnat observera dessa förändringar i realtid. Att se vad som faktiskt händer kan ytterligare studier för att kontrollera dessa material.

iCeMS forskare, inklusive Nobuhiko Hosono och Susumu Kitagawa, använde atomkraftsmikroskopi för att observera förändringarna som hände på ytan av en enkristallin porös koordinationspolymer, gjord av zinkkluster och två typer av ligander, när bifenyl gästmolekyler introducerades.

Atomkraftsmikroskopet bildas av en liten sond i änden av en konsol. Sondens rörelser över ytan av ett material registreras, ger en bild av materialets topografi.

Ytan av koordinationspolymerkristallen undersöktes först i lösning under stabila betingelser. De metallorganiska gittren på ytan var tetragonala till formen. En bifenyllösning sattes sedan till kristallen med en gradvis ökande koncentration. Bilderna togs var 13:e sekund. Teamet fann att gittren ändrades till en rombisk form inom tio minuter då bifenylkoncentrationen nådde maximalt 500 millimol/liter lösning på grund av molekylens kombination med den kristallina ytan. Minskad koncentration ledde till avlägsnande av bifenylen från materialets yta och en snabb återgång av gittrets tetragonala former.

Ytterligare studier visade att ytförändringarna knappt påverkade resten av kristallens struktur.

Den mycket känsliga naturen hos den porösa koordinationspolymerytan, fångas i detalj, ger insikter som kan hjälpa till att vägleda responsiv materialutveckling, skriver forskarna i sin uppsats.