De flesta tänker inte på hur molekyler passar i de ultrasmå utrymmena mellan andra molekyler, men det är vad professor Masahide Takahashis forskargrupp tänker på varje dag vid Osaka Metropolitan University. De studerar metall-organiska ramverk (MOF), sammansatta av modulärt arrangerade metalljoner och molekyler (organiska länkar), som bildar en ställning. Metalljoner fungerar som hörn förbundna med längre organiska länkar. En MOF kan göras med hjälp av olika metaller och organiska länkar, så att de kan utformas för specifika kemiska/fysikaliska egenskaper, attraktiva för beläggning av sensorer i optiska och elektroniska enheter. Detta beror på att MOF-ställningen lämnar mycket internt utrymme öppet. Dessa porer kan vara värd för många gästmolekyler som kan komma åt MOF:s enorma inre yta, vilket gör dem idealiska för att utveckla katalytiska material, gaslagring, gasseparering och miljösanering.

Genom att använda en spektrometer för att mäta MOF och gästmolekylabsorbansen hos två olika polariserade typer av infrarött ljus, är forskargruppens metod den första som mäter både gäst-gäst och gäst-värd interaktioner och gör det i realtid. Infraröd spektroskopi används ofta i labb och de tillägg som krävs för ljuspolarisering använder minimala material, inklusive lätt replikerbara 3D-utskrivna komponenter. Detta representerar ett enormt framsteg i MOF-studier, vilket gör det mycket mer tillgängligt jämfört med den tidigare använda röntgendiffraktionen eller solid-state nukleär magnetisk resonansspektroskopi.

En unik egenskap hos MOF är att de kan ändra sin konduktivitet och fotoluminescens genom att öka eller minska antalet gästmolekyler som finns i deras porer. När de är tätt packade kan gästmolekylerna anpassa sig, vilket skapar riktningsberoende skillnader till ljusabsorption och elektriskt motstånd. Forskarna myntade detta fenomen "sardinburk"-effekten eftersom molekylerna i gaser inte alltid är runda, olika formade gasmolekyler fungerar ofta som "sardiner" när de är instängda i en nanopore "burk". När långa molekyler tillsätts stöter de in i varandra tills de är sida vid sida, effektivt packade och pekar i samma riktning precis som sardinerna.

Om du skulle skina ett ljus genom sidan av en klar sardinburk, skulle du kunna få en bra uppfattning om i vilken riktning sardinerna riktades in baserat på deras skuggor. Men MOF-filmerna och gästmolekylerna är för små för att kasta skuggor, så forskarna använde en annan egenskap hos ljus:polarisering. Forskarna använde infrarött ljus i två polarisationer och mätte absorbansen av gästmolekylen för varje polarisering separat. När partialtrycket för gasen i MOF-filmen ökades började gästmolekylerna anpassa sig, vilket ökade absorbansen för en polarisering.

Detta gjorde det möjligt för forskarna att hitta partialtrycket där värdmolekylerna var i linje och hur de interagerade vid olika tryck. De molekylära bindningarna mellan olika atomer absorberar specifika våglängder av infrarött ljus. Genom att jämföra vilka av de polariserade våglängderna som absorberades kunde forskarna bestämma riktningen molekylerna i MOF-filmen pekade. Vid högre tryck, när MOF-porerna var fulla, upptäckte de också defekter som började dyka upp i MOF-ställningen på grund av närvaron av gästmolekylerna. När gästmolekylerna togs bort, vände defekterna, vilket gav den första tydliga observationen av interaktioner mellan gäst- och värdmolekyler i MOF.

Dessa resultat, publicerade i Angewandte Chemie International Edition , är bara början, eftersom denna teknik kan användas för att studera olika MOF-filmer och gästmolekylinteraktioner i realtid. Denna nya gräns för materialvetenskap har potential att lösa många av humanioras framtida utmaningar. "Dessa resultat klargör hur molekyler kommer in i nanoporer och hur de är anpassade. Baserat på denna teknik kan vi förvänta oss att utveckla högpresterande porösa material", avslutade Dr Bettina Baumgartner. + Utforska vidare

Falling in line:Den enkla designen och kontrollen av MOF-elektriskt flöde