En mycket porös metallorganisk ram, sammansatta av molekylära byggstenar utformade för att låsa ihop i en specifik orientering, har utvecklats av forskare vid KAUST.

Metallorganiska ramverk (MOF) är kristallina material gjorda av metalljoner sammankopplade med organiska länkar. Deras inre struktur är som en upprepande uppsättning små identiska burar, som är idealiska för värd för olika molekyler. MOF:er har hittat potentiella användningsområden från gasavkänning till molekylära separationer till lagring, beroende på dimensionerna och strukturen på deras porer.

En familj av MOF har inspirerats av oorganiska porösa material som kallas zeoliter. Zeoliter är en speciell klass av poröst material med otaliga tillämpningar, förklarar Norah Alsadun, en Ph.D. student i Mohamed Eddaoudis labb, som ledde forskningen. "Dock, förmågan att finjustera poröppningsstorleken och porsystemet för en given zeolit, baserat på en given topologi, är extremt utmanande, " hon säger.

Genom att härma zeolitstrukturen med en MOF, dock, porstrukturen kan lätt justeras genom att byta metall och den organiska länken. "Vår grupp introducerade användningen av enmetallbaserade tetraedriska byggnadsenheter för zeolitliknande MOF (ZMOF) konstruktion, " säger Alsadun. Grunden för den tetraederbaserade ZMOF-strukturen är ett par triangulära pyramider, fäst spets mot spets via en enkelbindning.

Den fria rotationen av de två trianglarna runt enkelbindningen leder vanligtvis till bildandet av en diamantliknande struktur. Dock, monteringen av tetraedriska byggnadsenheter i MOF-kemi kan leda till samtidig bildning av flera diamantnätverk, alla tränger in i varandra, blockerar därmed porerna. "Så, vi utvecklade ett nytt koncept för ZMOF-montering med användning av polynukleära kluster som stela, riktade och inlåsta byggnadsenheter, säger Eddaoudi.

Snarare än enkla enkelmetalltetraedrar som huvudbyggstenen, teamet använde utökade polynukleära kluster där varje kant och hörn av den ursprungliga tetraedern ersätts av ett nytt ansikte - ett geometriskt koncept som kallas kantellation. Som ett resultat, enkelbindningen som länkar samman de två tetraedrarna i den ursprungliga strukturen ersätts av tre bindningar, låsa strukturen i en specifik orientering.

Som laget hade planerat, de låsta byggstenarna genererade en ZMOF med en "sodalit", snarare än en diamantliknande, strukturera. "Sodalit -topologin har inget utrymme för interpenetration, säger Vincent Guillerm, en senior forskare i teamet. De resulterande sod-ZMOF-porerna mätte upp till 43 ångström i diameter, den största hittills rapporterade för en ZMOF.

"Vårt arbete bevisar att dessa utmanande strukturer kan nås genom vår nya design, " Eddaoudi säger. "Att tillämpa denna strategi för att konstruera andra ZMOFs pågår nu."