Una clase de materiales llamados armazones organometálicos, o MOF, ha atraído un interés considerable en los últimos años por una variedad de aplicaciones potenciales relacionadas con la energía, especialmente desde que los investigadores descubrieron que estos materiales típicamente aislantes también podrían hacerse eléctricamente conductores.

Gracias a la extraordinaria combinación de porosidad y conductividad de los MOF, este hallazgo abrió la posibilidad de nuevas aplicaciones en baterías, celdas de combustible, supercondensadores, electrocatalizadores, y sensores químicos especializados. Pero el proceso de desarrollo de materiales MOF específicos que posean las características deseadas ha sido lento. Eso se debe en gran parte a que ha sido difícil averiguar su estructura molecular exacta y cómo influye en las propiedades del material.

Ahora, Los investigadores del MIT y otras instituciones han encontrado una forma de controlar el crecimiento de cristales de varios tipos de MOF. Esto hizo posible producir cristales lo suficientemente grandes como para ser probados por una batería de pruebas, permitiendo al equipo decodificar finalmente la estructura de estos materiales, que se asemejan a las celosías hexagonales bidimensionales de materiales como el grafeno.

Los hallazgos se describen hoy en la revista. Materiales de la naturaleza , en un artículo de un equipo de 20 en el MIT y otras universidades de EE. UU., Porcelana, y Suecia, dirigido por el profesor de energía W. M. Keck Mircea Dincă del Departamento de Química del MIT.

Dado que los MOF conductivos se descubrieron por primera vez hace unos años, Dincă dice, muchos equipos han estado trabajando para desarrollar versiones para muchas aplicaciones diferentes, "pero nadie había podido conseguir una estructura del material con tanto detalle". Cuanto mejor se comprendan los detalles de esas estructuras, él dice, "te ayuda a diseñar mejores materiales, y mucho más rápido. Y eso es lo que hemos hecho aquí:proporcionamos la primera estructura cristalina detallada a resolución atómica ".

La dificultad para cultivar cristales que fueran lo suficientemente grandes para tales estudios, él dice, radica en los enlaces químicos dentro de los MOF. Estos materiales consisten en una red de átomos metálicos y moléculas orgánicas que tienden a formar cristales torcidos en forma de agujas o hilos. porque los enlaces químicos que conectan los átomos en el plano de su red hexagonal son más difíciles de formar y más difíciles de romper. A diferencia de, los enlaces en la dirección vertical son mucho más débiles y, por lo tanto, se siguen rompiendo y reformando a un ritmo más rápido, haciendo que las estructuras se eleven más rápido de lo que pueden extenderse. Los cristales delgados resultantes eran demasiado pequeños para ser caracterizados por la mayoría de las herramientas disponibles.

El equipo resolvió ese problema cambiando la estructura molecular de uno de los compuestos orgánicos en el MOF para que cambiara el equilibrio de la densidad de electrones y la forma en que interactúa con el metal. Esto revirtió el desequilibrio en las fortalezas de los enlaces y las tasas de crecimiento, permitiendo así que se formen láminas de cristal mucho más grandes. Estos cristales más grandes se analizaron luego utilizando una batería de técnicas de imágenes basadas en difracción de alta resolución.

Como fue el caso del grafeno, Encontrar formas de producir láminas más grandes del material podría ser la clave para desbloquear el potencial de este tipo de MOF. Dincă dice. Inicialmente, el grafeno solo podía producirse mediante el uso de cinta adhesiva para despegar capas de un solo átomo de espesor de un bloque de grafito. pero con el tiempo se han desarrollado métodos para producir directamente hojas lo suficientemente grandes como para ser útiles. La esperanza es que las técnicas desarrolladas en este estudio puedan ayudar a allanar el camino hacia avances similares para los MOF, Dincă dice.

"Básicamente, esto proporciona una base y un plan para hacer grandes cristales de MOF bidimensionales, " él dice.

Al igual que con el grafeno, pero a diferencia de la mayoría de los otros materiales conductores, los MOF conductores tienen una fuerte direccionalidad de su conductividad eléctrica:conducen mucho más libremente a lo largo del plano de la hoja de material que en la dirección perpendicular.

Esta propiedad, combinado con la muy alta porosidad del material, podría convertirlo en un fuerte candidato para ser utilizado como material de electrodo para baterías, celdas de combustible, o supercondensadores. Y cuando sus componentes orgánicos tienen ciertos grupos de átomos unidos a ellos que se unen a otros compuestos en particular, podrían utilizarse como detectores químicos muy sensibles.

El grafeno y el puñado de otros materiales 2-D conocidos han abierto una amplia franja de investigación en aplicaciones potenciales en electrónica y otros campos. pero esos materiales tienen propiedades esencialmente fijas. Debido a que los MOF comparten muchas de las características de esos materiales, pero forman una amplia familia de posibles variaciones con diferentes propiedades, Deben permitir a los investigadores diseñar los tipos específicos de materiales necesarios para un uso particular, Dincă dice.

Para pilas de combustible, por ejemplo, "quieres algo que tenga muchos sitios activos" para reactividad en la gran superficie proporcionada por la estructura con su celosía abierta, él dice. O para que un sensor controle los niveles de un gas en particular, como el dióxido de carbono, "quieres algo que sea específico y no dé falsos positivos". Este tipo de propiedades se pueden diseñar mediante la selección de los compuestos orgánicos utilizados para producir los MOF, él dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.