Utanför lådan, kristallina MOF (metall-organiska ramverk) ser ut som vanliga saltkristaller. Men MOF är allt annat än vanliga kristaller – djupt inuti varje kristallint "korn" ligger ett intrikat nätverk av tunna, molekylära burar som kan dra skadliga gasutsläpp som koldioxid från luften, och innehålla dem under en riktigt lång tid.

Men tänk om du kunde designa ett MOF-material med dubbla ändamål som kunde lagra koldioxidgasmolekyler för nu, och förvandla dem till användbara kemikalier och bränslen för senare? Forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utarbetat ett sätt att göra just det – genom en självmonterande "överbyggnad" gjord av MOF:er och nanokristaller.

Studien, vilket tyder på att det självmonterande materialet har potentiell användning inom industrin för förnybar energi, publicerades i tidskriften Angewandte Chemie .

När "olja och vatten" inte blandas

I åratal, forskare har försökt kombinera katalytiska nanokristaller och kristallina MOF till ett hybridmaterial, men konventionella metoder ger inte effektiva strategier för att kombinera dessa två kontrasterande former av materia till ett material.

Till exempel, en populär metod känd som röntgenlitografi fungerar inte bra med MOF eftersom dessa porösa material lätt kan skadas av en röntgenstråle och är utmanande att manipulera, sa Jeff Urban, studiens huvudförfattare och anläggningschef för oorganiska nanostrukturer vid Berkeley Labs Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility som specialiserat sig på nanovetenskaplig forskning.

Det andra problemet är att även om MOF och nanokristaller kan blandas i en lösning, forskare som har försökt använda metoder för självmontering för att kombinera dem har inte lyckats övervinna den naturliga tendensen hos dessa material att så småningom flytta bort från varandra - ungefär som den separation du ser några minuter efter att ha blandat en hemmagjord salladsdressing gjord av olivolja och vinäger.

"Metaforiskt, den täta nanokristall "biljardbollen" går till botten, och den mindre täta MOF "svampen" flyter till toppen, sa Urban.

Att skapa ett MOF-nanokristallmaterial som inte separeras som olja och vatten gör efter att ha blandats ihop kräver "utsökt kontroll över ytenergier, ofta utanför räckhåll för samtida syntetiska metoder, sa Urban.

Och eftersom de inte samarbetar bra, MOF (materialet som möjliggör långtidslagring och separation) kan inte sitta bredvid nanokristaller (materialet som ger kortvarig bindning och katalys).

"För tillämpningar som katalys och energilagring, det finns starka vetenskapliga skäl för att kombinera mer än ett material, ", tillade han. "Vi ville ta reda på hur man skapar materia så att du har MOF:er och katalytiska nanokristaller bredvid varandra på ett förutsägbart sätt."

Hur motsatser attraherar genom termodynamik

Så Urban och hans team vände sig till termodynamikens kraft – en gren av fysiken som kan vägleda forskare om hur man förenar två material med två helt olika funktioner, som energilagring kontra katalys/kemisk omvandling – till en hybridöverbyggnad.

Baserat på deras termodynamikbaserade beräkningar, ledd av Steve Whitelam, en stabsforskare vid Molecular Foundry, forskarna från Berkeley Lab förutspådde att MOF-nanopartiklarna skulle bilda ett toppskikt genom molekylära bindningar mellan MOF:erna och nanokristallerna.

Deras simuleringar, utförd vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) – en annan DOE Office of Science User Facility vid Berkeley Lab – föreslog också att en formulering av järnoxidnanokristaller och MOF skulle ge den strukturella enhetlighet som behövs för att styra självmonteringsprocessen , sa Urban.

"Innan vi startade det här projektet för några år sedan, det fanns inga riktiga vägledande principer för hur man gör MOF-nanokristallöverbyggnader som skulle hålla i praktiken, industriella tillämpningar, ", sade Urban. "Dessa beräkningar informerade slutligen experimenten som användes för att finjustera energin i självmonteringsprocessen. Vi hade tillräckligt med data som förutspådde att det skulle fungera."

En kristallklar bild med ett överraskande resultat

Efter många omgångar av testning av olika formuleringar av nanokristall-MOF-molekylbindningar, STEM (scanning transmission electron microscopy) bilder tagna vid Molecular Foundry's National Center for Electron Microscopy (NCEM) bekräftade att MOFs självmonterade med järnoxidnanokristallerna i ett enhetligt mönster.

Forskarna använde sedan en teknik som kallas resonant mjuk röntgenspridning (RSoXS) vid Advanced Light Source – en DOE Office of Science User Facility som specialiserar sig på lägre energi, "mjukt" röntgenljus för att studera egenskaperna hos material - för att bekräfta den strukturella ordning som observerats i elektronmikroskopiexperimenten.

Det de såg härnäst förvånade dem.

"Vi förväntade oss att nanokristallerna av järnoxid och MOF skulle självmontera, men vi förväntade oss inte konfigurationen "sesamfröboll", Urban sa, syftar på ett stekt kinesiskt bakverk.

När det gäller självmontering, forskare förväntar sig vanligtvis att se ett 2-D gitter. "Den här konfigurationen var så oväntad. Det var fascinerande – vi var inte medvetna om något prejudikat för detta fenomen, men vi var tvungna att ta reda på varför detta hände."

Urban sa att sesamfrökulans konfiguration bildas av en reaktion mellan materialen som minimerar den termodynamiska självenergin hos MOF med självenergin hos nanokristallen av järnoxid. Till skillnad från tidigare MOF/nanokristallinteraktioner, de molekylära interaktionerna mellan MOF och nanokristallen av järnoxid driver självmonteringen av de två materialen utan att kompromissa med deras funktion.

Den nya designen är också den första som löser hårda krav på enhetliga partikelstorlekar av tidigare självmonteringsmetoder, öppnar dörren för en ny MOF design lekbok för elektronik, optik, katalys, och biomedicin.

Nu när de framgångsrikt har demonstrerat självmontering av MOF med katalytiska nanokristaller, Urban och hans team hoppas kunna anpassa dessa överbyggnader ytterligare genom att använda materialkombinationer som är inriktade på solenergilagringsapplikationer, där avfallskemikalier kunde omvandlas till råmaterial för förnybara bränslen.