Efter upptäckten för 25 år sedan fick metall-organiska ramverk (MOF) snabbt aura av ett "mirakelmaterial" på grund av deras speciella egenskaper:deras stora inre ytor och justerbara porstorlekar underlättar förbättrade applikationer, till exempel vid materialseparering och gas. lagring.

Medan tidigare representanter huvudsakligen var baserade på övergångsmetaller som koppar och zink, har ett team vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) utforskat mer exotiska delar av det periodiska systemet:de undersökte analoga föreningar med aktinider som den oorganiska komponenten. På så sätt hjälper de bland annat till att främja ett säkert omhändertagande av radioaktivt material.

Rossendorf-forskarna har alltså lagt grunden för ramverk som kan hysa en serie aktinidmetalljoner som den primära komponenten, nämligen torium och uran samt transuranerna neptunium och plutonium.

"De flesta av dessa grundämnen i den sista raden i det periodiska systemet är konstgjorda. De är produkten av neutronbombardemang eller en biprodukt i en kärnreaktor. I dem har människor skapat extremt farliga ämnen eftersom de alla är radioaktiva och, i vissa fall, mycket giftiga", förklarar Dr. Moritz Schmidt från HZDR:s Institute of Resource Ecology.

"Detta innebär också att allt vårt experimentella arbete måste utföras med speciella säkerhetsåtgärder på plats. Vår arbetshäst är koordinationskemi eller, med andra ord, att skapa metallkomplex med övervägande organiska molekyler", säger Dr Juliane März och utökar bakgrunden. vid lagets aktiviteter.

Inom koordinationskemin är metallorganiska ramverk ett relativt ungt område. De mycket porösa fasta ämnena är sammansatta av metaller eller metall-syrekluster som är sammankopplade på modulbasis av pelare av organiska kemikalier, vilket skapar nätverk av flexibla håligheter som påminner om porerna i en kökssvamp.

Inledningsvis fokuserade forskningen på övergångsmetallerna. "Goda utsikter för nya tillämpningar ledde snart till att vi tittade på element med komplexa elektronskal - först och främst de sällsynta jordartsmetallerna och slutligen aktiniderna också. Men ännu är nästan ingenting känt om transuraniska element som inte förekommer naturligt , som neptunium och plutonium", säger März och skissar på kronologin.

Ställningar med hög symmetri från molekylära byggstenar – skräddarsydda applikationer

Som en organisk pelare använde de kemiskt modifierad antracen, ett framträdande exempel på polycykliska aromatiska kolväten. "Vi vet att kristallint antracen är den bästa organiska scintillatorn:När energirik strålning passerar genom detta ämne exciterar den dess molekyler genom kollisionsprocesser. Excitationsenergin emitteras i form av blått ljus. Det är därför våra ramverk också lyser." Schmidt rapporterar. Och de uppvisar en annan speciell egenskap:bredden på deras bandgap, som är ett mått på den energetiska skillnaden mellan valensbandet och ledningsbandet.

"In the case of semiconductors at very low temperatures only the valence band has charge carriers; in this state it is non-conducting. When energy is applied, they move to the conduction band and thus trigger a flow of current. Measurements show that our new material is one of the so-called broadband semiconductors which play a role especially in power electronics and sensor technology. So, it might be usable as a detector for ionizing radiation—and the actinides we have built in deliver a constant internal radiation reference at the same time," Schmidt says.

Early investigations into MOFs by research groups worldwide synthesized representatives that exhibited ever larger inner surfaces and have therefore become alternatives to activated carbon and zeolites, for example in materials separation or catalytic processes. Their advantage is that their modular structure means that diverse network topologies can be implemented; moreover, the pore size can be very finely tuned by selecting an appropriate pillar for the intended application such as efficient adsorbents for a very specific chemical.

März and Schmidt have taken this a step further, adding a new facet with their work. They have identified applications in a field in which HZDR's Institute of Resource Ecology conducts research:the safe disposal of radioactive material. The researchers are thus considering the development of a tailored waste matrix that immobilizes actinides in the scaffold and fission products in its pores.

The research is published in Journal of the American Chemical Society and based on earlier work published in Coordination Chemistry Reviews . + Utforska vidare

Going beyond Mother Nature's molecules to target radioactive metals