Las estructuras metalorgánicas (MOF) son una clase de materiales cristalinos con una estructura de nodos inorgánicos conectados por ligandos orgánicos. Actualmente hay más de 60, 000 MOF conocidos, y se están investigando como materiales prometedores para el almacenamiento de gas, incluido el secuestro de CO2 y el almacenamiento de hidrógeno, e incluso se puede utilizar para recolectar agua en el desierto. La investigación hasta ahora se ha concentrado en MOF en estado sólido, pero estas suaves Los polvos microcristalinos son difíciles de procesar industrialmente. ya que no se pueden sinterizar y son difíciles de convertir en gránulos.

Curiosamente, Se han observado varios ejemplos de fusión de estructuras cristalinas de MOF, junto con la formación de un líquido de composición idéntica al marco original. El enfriamiento de estos líquidos da como resultado una nueva familia de gases. La novedad fundamental del MOF líquido y de vidrio dice:en comparación con sus estados cristalinos más conocidos, provocó una investigación temprana1 sobre la reactividad del estado líquido, y particularmente cómo un MOF líquido puede interactuar con otro componente de MOF.

Investigar, un equipo internacional de investigadores trajo un par de MOF cristalinos (ZIF-4 y ZIF-62) a Diamond, realizar investigaciones sobre su comportamiento durante el calentamiento, en las líneas de luz I22 e I15-1. Sus resultados, publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza , muestran que el estado líquido MOF se puede mezclar con otro componente MOF para formar un vidrio MOF con una transición vítrea adaptable.

Uso de nuevas técnicas para investigar MOF amorfos

El Dr. Tom Bennett es químico de materiales. La investigación de su grupo se centra en la síntesis, caracterización y aplicación de MOF no cristalinos, y particularmente MOF-líquidos y MOF-vidrios. Sus objetivos son dos:diversificar la investigación de MOF lejos de un enfoque puro en el estado cristalino, y explorar las interfaces del campo con gafas, líquidos iónicos, y polímeros. En esta investigación, su equipo utilizó experimentos in situ en Diamond para investigar dos componentes MOF fundidos, seguimiento con temperatura.

Investigar cómo interactúan dos componentes amorfos de MOF es increíblemente complejo, requiriendo nuevas técnicas, y el grupo de investigación ha utilizado la línea de luz I15-1 antes, para producir funciones de distribución por pares (PDF) de sus materiales. Un PDF indica distancias sobre las cuales dos átomos están separados en una escala repetida, independientemente de si el material es cristalino o no.

La idea de utilizar dispersión de rayos X de ángulo pequeño y gran angular (SAXS y WAXS) en estos materiales fue planteada por primera vez por el científico de la línea de luz I22, el Dr. Andy Smith.

Se tomaron mediciones de SAXS y WAXS in situ durante el calentamiento de los dos MOF juntos, y formación demostrada de un líquido a partir de un componente, y un sólido amorfo del otro. Las mediciones también demostraron la coalescencia de partículas juntas, confirmando junto con los resultados de calorimetría diferencial de barrido, que los dos componentes de MOF se habían mezclado, de una manera conocida en el mundo de los polímeros orgánicos, pero no en MOF. Las mediciones de XPDF se utilizaron en las 'mezclas de MOF' recuperadas, y confirmó la presencia de la conectividad metal-ligando asociada con el estado MOF.

El Dr. Smith explica:

A diferencia de muchas de las técnicas de Diamond, no podemos ver átomos individuales con SAXS ya que la técnica funciona a escalas de mayor longitud, los de moléculas grandes o ensamblajes moleculares. En este trabajo pudimos usar SAXS para observar los cambios que ocurren cuando los microcristales de MOF se derriten en el estado vítreo y correlacionar esto con los datos WAXS simultáneos que muestran la pérdida gradual de cristalinidad. La combinación de SAXS / WAXS en I22 con mediciones PDF en I15-1 permite una comprensión más completa de estos materiales complejos en condiciones de procesamiento. Es un área en la que esperamos trabajar mucho más ".

Otra innovación fue el uso ex situ de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS) para obtener resultados específicos del elemento. y tomografía EDS. Las imágenes tridimensionales resultantes muestran que las dos fases MOF se unen a través de la interfaz entre ellas, en un proceso de intercambio de ligando. Los dos MOF utilizados en estos experimentos eran bastante viscosos; Experimentos adicionales demostraron que comenzar con partículas más pequeñas de los MOF cristalinos resultó en un mayor grado de mezcla, o mezcla.

¿Qué sigue para los MOF líquidos?

Los próximos pasos de esta investigación son investigar qué MOF se pueden combinar para crear nuevos materiales útiles.

El Dr. Bennett siente que todavía hay mucho que aprender sobre los MOF amorfos. "Los lentes MOF y los líquidos MOF tienen mucho potencial, y hay mucho espacio para la entrada de otros campos, incluyendo gafas, líquidos iónicos, y polímeros. Es probable que muchos otros investigadores hayan formado MOF amorfos o líquidos mientras buscaban una nueva estructura cristalina. pero luego tíralos. En realidad, estos estados no cristalinos pueden resultar ser como, si no más, interesante que los propios cristales. El campo apenas está comenzando, y estoy muy interesado en colaborar con investigadores de otros dominios, ", dice. Considera que Twitter es una herramienta útil, tanto para la colaboración como para relacionarse con la gente en general.