Metallorganiska ramverk (MOF) är framväxande multifunktionella material som gradvis hittar sin väg ut ur forskningslaboratorierna och in i en myriad av verkliga tillämpningar. Till exempel, MOF kan lagra farliga gaser, katalysera kemiska reaktioner, leverera läkemedel på kontrollerat sätt, och kan även användas i laddningsbara batterier och solceller.

Ett team av forskare från Clemson University's College of Science visade nyligen att en ny dubbel-spiralformad MOF-arkitektur, i en delvis oxiderad form, kan leda elektricitet som potentiellt gör den till nästa generations halvledare.

Teamets resultat beskrivs i artikeln "The Advent of Electrical Conducting Double-Helical Metal-Organic Frameworks Featuring Butterfly-Shaped Electron Rich π-Extended Tetrathiafulvalene Ligands, "som publicerades den 18 mars, 2020, som omslagsartikel i Tillämpade material och gränssnitt , en tidning publicerad av American Chemical Society.

MOF består av en rad metalljoner som är anslutna med organiska ligander. Atomiskt konstruerad med stor precision, de har mycket ordnade repetitiva enheter som vanligtvis utgör porösa strukturer.

Sedan den första MOF byggdes för över 20 år sedan, forskare världen över har skapat mer än 20, 000 olika MOF tillverkade med en mängd olika metaller och organiska ligander.

Enligt kemilektor Sourav Saha, de flesta befintliga MOF är gjorda av linjära eller plana ligander. Dock, Saha och hans team introducerade en fjärilformad, konvex ligand till en MOF, vilket resulterade i en ny dubbel spiralformad struktur som kan leda elektricitet när den delvis oxiderats av gästjodmolekyler.

"Denna fjärilformade förlängda tetrathiafulvalene (ExTTF) ligand har varit känd för kemiska samhället ett tag, men det hade inte införlivats i en MOF tidigare, "Saha sa." Genom att införa det i en dubbel spiralformad MOF, vi kunde skapa unika S-formade laddningstransportvägar som löper längs sömmarna på de angränsande trådarna. När ExTTF -liganderna på ena sidan av varje dubbel spiralsträng oxideras av jod och de på den andra förblir neutrala, de bildar intermolekylära laddningsöverföringskedjor längs sömmarna. Elektroner kan flöda längs denna väg på ett intermolekylärt sätt, göra MOF mer ledande. "

Kandidatexamen i kemi Monica Gordillo i Dr Sahas forskargrupp syntetiserade den dubbla spiralformade MOF via en solvotermisk metod, genom att blanda ett zinksalt och ExTTF -liganden i viss andel. Hon värmde sedan blandningen i en ugn vid cirka 65 grader Celcius i 24 timmar.

"Vi fick dessa vackra tallriksliknande apelsinkristaller, "Sa Gordillo." För att uppnå detta spännande material, vi justerade villkoren för denna syntes, ändra förhållandet mellan lösningsmedel, förhållandet mellan ligander och metall (zink) joner och temperaturen. "

För att skapa en laddtransportväg som kan leda elektricitet, hon diffunderade jodånga i den porösa MOF, vilket orsakade att en tråd blev elektronbrist medan den andra förblev elektronrik.

Elektriskt ledande MOF kan ha vissa fördelar jämfört med konventionella oorganiska halvledare tillverkade av kisel, gallium, eller arsenid, som är allestädes närvarande i logiska grindar, minneskort, och andra elektronikapplikationer. Till exempel, konventionella halvledare syntetiseras vid temperaturer mellan 500 och 1, 000 grader Celsius.

"Å andra sidan, MOF kan tillverkas på ett mer energieffektivt sätt än oorganiska halvledare, "Saha sa." De kan syntetiseras var som helst mellan rumstemperatur och 150 grader Celsius, samtidigt som den högordnade kristallina strukturen som konventionella halvledare har. "

Saha och hans team planerar att fortsätta utveckla nya MOF -arkitekturer med olika geometrier, kompositioner, och funktioner som kan ha applikationer i framtida elektronik- och energiomvandlings- och lagringsenheter.