Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah desarrollan un nuevo método de diseño MOF Una técnica centenaria de construcción de ventanas arqueadas de piedra ha inspirado una nueva forma de formar ventanas a nanoescala personalizadas en materiales funcionales porosos (estructuras organometálicas) que tiene aplicaciones potenciales en los campos médico y de separación de gases. Se utiliza una versión molecular de una "plantilla centrada" de arco arquitectónico para guiar la formación de MOF con aberturas de forma y tamaño predeterminados.
Los nuevos MOF diseñados y fabricados utilizando este enfoque van desde materiales porosos estrechos con potencial de separación de gases hasta estructuras macroporosas con potencial para aplicaciones médicas debido a sus excelentes capacidades de adsorción de oxígeno.
"Uno de los objetivos más desafiantes en el diseño de nuevas estructuras es controlar precisamente la formación de estructuras", dijo Aleksandr Sapianik, postdoctorado en el grupo de Mohamed Eddaoudi que dirigió el estudio. "Para la química de redes (el ensamblaje de bloques de construcción moleculares en materiales cristalinos porosos, como los MOF), el equipo de investigación se dio cuenta de que el concepto de plantilla de centrado podría proporcionar un control preciso".
El punto de partida de la investigación son los MOF similares a las zeolitas (ZMOF), que normalmente tienen ventanas pentagonales enmarcadas por bloques de construcción llamados supertetraedros (ST). "Nuestro objetivo es controlar la disposición de las ST desde esta topología bien conocida hasta una que nunca antes se había informado utilizando estos bloques de construcción", dijo Sapianik.
El equipo de investigación desarrolló agentes directores de estructura central (cSDA) para controlar la alineación del ST y formar ventanas ZMOF de nuevas formas y tamaños. Un conjunto de cSDA está diseñado para estrechar el ángulo entre las células ST adyacentes, formando así una pequeña ventana. Otro conjunto de cSDA tiene como objetivo ampliar el ángulo entre las unidades ST, formando así una ventana más grande.
Marina Barsukova, becaria postdoctoral del equipo de Eddaoudi, dijo: "El tamaño y el volumen de los poros de los MOF son parámetros importantes que afectan su aplicación. Un ZMOF de ventana grande (Fe-sod-ZMOF-320) diseñado por el equipo muestra la mayor capacidad de adsorción de oxígeno entre los MOF conocidos. Esta propiedad tiene aplicaciones importantes en el sector médico y aeroespacial. Es importante en la industria porque la alta capacidad puede aumentar la cantidad de oxígeno almacenado en las botellas de oxígeno, o hacer que las botellas de oxígeno sean más pequeñas y fáciles para transportar. El mismo ZMOF también destaca en el almacenamiento de metano e hidrógeno, los cuales son combustibles potenciales. Otros ZMOF de la serie con ventanas estrechas también han mostrado potencial en la separación de gases de mezclas moleculares.
Vincent Guillerm, científico investigador del grupo de Eddaoudi, dijo que el concepto de cSDA ofrece varias ventajas que pueden mejorar el rendimiento de los MOF. Dijo: "cSDA separa ventanas grandes en ventanas más pequeñas, y nuestros resultados preliminares muestran que esto ayudará a la separación química. También proporciona superficies de poros internos adicionales, lo que ayuda a mejorar el almacenamiento de gas y fortalece la estructura MOF, mejorando así la estabilidad del material. El enfoque centralizado que desarrollamos es otra poderosa estrategia para la química de redes, que ofrece un gran potencial para la fabricación bajo demanda de MOF para aplicaciones en los campos de seguridad energética y sostenibilidad ambiental".