En klass av material som kallas metallorganiska ramverk, eller MOF, har tilldragit sig stort intresse under de senaste åren för en mängd olika potentiella energirelaterade tillämpningar - särskilt sedan forskare upptäckte att dessa typiskt isolerande material också kunde göras elektriskt ledande.

Tack vare MOFs extraordinära kombination av porositet och konduktivitet, denna upptäckt öppnade möjligheten för nya tillämpningar i batterier, bränsleceller, superkondensatorer, elektrokatalysatorer, och specialiserade kemiska sensorer. Men processen att utveckla specifika MOF-material som har de önskade egenskaperna har varit långsam. Det beror till stor del på att det har varit svårt att ta reda på deras exakta molekylära struktur och hur det påverkar materialets egenskaper.

Nu, forskare vid MIT och andra institutioner har hittat ett sätt att kontrollera tillväxten av kristaller av flera typer av MOF. Detta gjorde det möjligt att producera kristaller som är tillräckligt stora för att kunna undersökas av ett antal tester, gör det möjligt för teamet att äntligen avkoda strukturen för dessa material, som liknar de tvådimensionella hexagonala gittren av material som grafen.

Fynden beskrivs idag i tidskriften Naturmaterial , i en uppsats av ett team på 20 vid MIT och andra universitet i USA, Kina, och Sverige, ledd av W. M. Keck professor i energi Mircea Dincă från MIT:s avdelning för kemi.

Sedan ledande MOF först upptäcktes för några år sedan, Dincă säger, många team har arbetat med att utveckla versioner för många olika applikationer, "men ingen hade lyckats få en struktur av materialet med så mycket detaljer." Ju bättre detaljerna i dessa strukturer förstås, han säger, "det hjälper dig att designa bättre material, och mycket snabbare. Och det är vad vi har gjort här:Vi tillhandahöll den första detaljerade kristallstrukturen med atomupplösning."

Svårigheten att odla kristaller som var tillräckligt stora för sådana studier, han säger, ligger i de kemiska bindningarna inom MOF:erna. Dessa material består av ett gitter av metallatomer och organiska molekyler som tenderar att formas till krokiga nål- eller trådliknande kristaller, eftersom de kemiska bindningarna som förbinder atomerna i planet för deras hexagonala gitter är svårare att bilda och svårare att bryta. I kontrast, bindningarna i vertikal riktning är mycket svagare och fortsätter därför att brytas och reformeras i snabbare takt, vilket gör att strukturerna reser sig snabbare än de kan spridas ut. De resulterande spinkiga kristallerna var alldeles för små för att kunna karakteriseras av de flesta tillgängliga verktyg.

Teamet löste det problemet genom att ändra molekylstrukturen hos en av de organiska föreningarna i MOF så att den ändrade balansen mellan elektrondensitet och hur den interagerar med metallen. Detta vände obalansen i obligationsstyrkorna och tillväxttakten, vilket gör att mycket större kristallark kan bildas. Dessa större kristaller analyserades sedan med användning av ett batteri av högupplösta diffraktionsbaserade avbildningstekniker.

Som var fallet med grafen, att hitta sätt att producera större ark av materialet kan vara nyckeln till att frigöra potentialen hos denna typ av MOF, säger Dincă. Till en början kunde grafen endast framställas genom att använda tejp för att dra av enatomtjocka lager från ett grafitblock, men med tiden har metoder utvecklats för att direkt producera ark som är tillräckligt stora för att vara användbara. Förhoppningen är att de tekniker som utvecklats i denna studie kan hjälpa till att bana väg för liknande framsteg för MOF:er, säger Dincă.

"Detta ger i grunden en grund och en ritning för att göra stora kristaller av tvådimensionella MOF:er, " han säger.

Som med grafen, men till skillnad från de flesta andra ledande material, de ledande MOF:erna har en stark riktningsförmåga till sin elektriska ledningsförmåga:De leder mycket mer fritt längs materialarkets plan än i den vinkelräta riktningen.

Denna fastighet, i kombination med materialets mycket höga porositet, kan göra det till en stark kandidat för att användas som elektrodmaterial för batterier, bränsleceller, eller superkondensatorer. Och när dess organiska komponenter har vissa grupper av atomer fästa till sig som binder till vissa andra föreningar, de skulle kunna användas som mycket känsliga kemiska detektorer.

Grafen och en handfull andra kända 2D-material har öppnat upp ett brett spektrum av forskning inom potentiella tillämpningar inom elektronik och andra områden, men dessa material har väsentligen fasta egenskaper. Eftersom MOF delar många av dessa material egenskaper, men bildar en bred familj av möjliga variationer med varierande egenskaper, de bör tillåta forskare att utforma de specifika typer av material som behövs för en viss användning, säger Dincă.

För bränsleceller, till exempel, "du vill ha något som har många aktiva platser" för reaktivitet på den stora yta som tillhandahålls av strukturen med dess öppna gallerverk, han säger. Eller för en sensor för att övervaka nivåerna av en viss gas som koldioxid, "du vill ha något som är specifikt och som inte ger falska positiva resultat." Dessa typer av egenskaper kan konstrueras genom valet av de organiska föreningar som används för att göra MOF:erna, han säger.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.