För blotta ögat, metallorganiska ramverk (MOF) ser lite ut som sand. Men om du zoomar in, du kommer att se att varje korn ser ut och fungerar mer som en svamp – och tjänar ett liknande syfte. MOF används för att absorbera och hålla gaser, vilket är användbart när man försöker filtrera ut giftiga gaser ur luften eller som ett sätt att lagra bränsle för naturgas- eller vätgasdrivna motorer.

Ny forskning ledd av ett tvärvetenskapligt team på sex universitet undersöker värmeöverföring i MOF:er och vilken roll det spelar när MOF:er används för att lagra bränsle. Motsvarande författare Christopher Wilmer, William Kepler Whiteford Faculty Fellow och biträdande professor i kemi- och petroleumteknik vid University of Pittsburghs Swanson School of Engineering, var medförfattare till arbetet med forskare vid Carnegie Mellon University, University of Virginia, Old Dominion University, Northwestern University, och Karlsruhe Institute of Technology i Karlsruhe, Tyskland. Fynden publicerades nyligen i Naturkommunikation .

"En av utmaningarna med att använda MOF för bränsletankar i bilar är att du måste kunna fylla på några minuter eller mindre, " förklarar Wilmer. "Tyvärr, när du snabbt fyller dessa MOF-baserade tankar med vätgas eller naturgas blir de väldigt varma. Det är inte så mycket en explosionsrisk – även om det finns en sådan – utan det faktum att de inte kan lagra mycket gas när de är varma. Hela förutsättningen att använda dem för att lagra mycket gasformigt bränsle fungerar bara vid rumstemperatur. För andra industriella applikationer möter du ett liknande problem - närhelst gaser laddas snabbt blir MOF:erna varma och fungerar inte längre effektivt."

Med andra ord, för att MOF:er ska vara användbara för dessa applikationer, de skulle behöva förvaras svala. Denna forskning tittade på termisk transport i MOF, att utforska hur snabbt de kan avge överskottsvärme, och gruppen hittade några överraskande resultat.

"När du tar dessa porösa material, som till att börja med är värmeisolerande, och du fyller dem med gas, det verkar som att de blir ännu mer isolerande. Detta är förvånande eftersom vanligtvis, tomma fickor som de i isolering eller dubbelglasade fönster ger bra värmeisolering, " förklarar Wilmer. "Genom att ta porösa material och fylla dem, och därigenom tar bort dessa luckor, du förväntar dig att den termiska transporten skulle förbättras, gör den mer värmeledande. Det motsatta händer; de blir mer isolerande."

För att nå sin slutsats, forskare genomförde två samtidiga experiment med två olika metoder och MOF syntetiserade i två olika laboratorier. Båda grupperna observerade samma trend:att MOF:erna blir mer isolerade när de fylls med adsorbater. Deras experimentella fynd validerades också av atomistiska simuleringar vid Pitt i samarbete med Carnegie Mellon University.

"Vårt arbete indikerar potentiella utmaningar framöver för användningen av MOF utanför forskningslabb, men det är ett nödvändigt steg i processen, " säger Alan McGaughey, professor i maskinteknik vid Carnegie Mellon. "När dessa material utvecklas mot breda, verklig användning, forskare kommer att behöva fortsätta att undersöka en gång förbisedda egenskaper hos dessa material, som termisk transport, och hitta det bästa sättet att använda dem för att passa våra behov."