Perfekta kristaller är inte nödvändigtvis de mest användbara. Defekter i den ordnade kristallina strukturen hos metall-organiska ramverk (MOF) kan skräddarsy dessa mångsidiga material för specifika applikationer. KAUST-forskare har redan utvecklat en banbrytande metod för att avbilda defekterna med hjälp av transmissionselektronmikroskopi. De rapporterar nu att skapa specifika defekter, visualisera dem, och att undersöka deras kemiska effekter tar utforskningen av MOF till nya nivåer av detaljer och kontroll.

MOF innehåller regelbundet åtskilda metallkluster sammankopplade av kolbaserade organiska länkgrupper. Att variera metallerna i klustren och strukturen på länkarna skapar en enorm mångfald av MOF med varierande pornätverk och olika kemiska egenskaper. Två av de stora applikationerna som MOF utvecklas för är för användning som katalysatorer och som mycket selektiva gasadsorptions- och separationsmaterial.

MOF är ett av de hetaste områdena inom kemisk forskning, och KAUSTs forskare arbetar hårt för att förbli i framkant. Det senaste framstegen bygger på en lång historia av upptäckter och har involverat tre KAUST forskningscenter, KAUST Core-labb och samarbetspartners i Kina och Storbritannien.

"Den största överraskningen vi avslöjar är att det finns olika defekter i nästan alla MOF, även de som tidigare ansågs vara perfekta, säger forskaren, Yu Han från KAUST Advanced Membranes and Porous Materials Center.

Han förklarar att det är svårt att undersöka defekterna eftersom MOF-kristaller är ömtåliga och lätt att skadas av elektronstrålarna som används i konventionell elektronmikroskopi. KAUST-teamet har övervunnit detta problem genom att använda en mycket känslig elektronräkningskamera, kombinerat med en uppsättning specialdesignade bildbehandlingsmetoder.

Denna nya förmåga att titta direkt in i en MOF på en hög upplösningsnivå avslöjar att två typer av defekter kan existera samtidigt, på grund av saknade metallkluster och saknade länkar. "Sådana detaljer kunde inte ses innan vårt arbete, säger Han.

Forskarna undersökte också att skapa defekter i MOF med kemisk behandling och övervaka hur mönstret av defekter utvecklas. Detta visar potentialen att finjustera defekterna för att manipulera de kemiska egenskaperna hos en MOF.

KAUST-teamet har visat kraften i denna strategi genom att finna att en specifik MOF med saknade klusterdefekter är mer katalytiskt aktiv än en med saknade länkdefekter.

Forskarna arbetar nu med att ytterligare förfina sin bildteknik och att tillämpa den på större kristaller. "Vi hoppas kunna avslöja fler okända uppgifter om MOFs för att optimera deras applikationer, säger Han.