Las estructuras metalorgánicas (MOF) son materiales con poros de tamaño nanométrico en sus estructuras cristalinas. Estos poros permiten que los MOF capturen moléculas de manera tan eficiente que ahora son los principales candidatos en aplicaciones como la captura de carbono y el filtrado de agua.

El desafío con los MOF es su estabilidad mecánica. Los materiales son vulnerables al estrés físico y químico, que pueden afectar su estructura y, por último, Su desempeño. Debido a que muchas aplicaciones de MOF implican ciclos entre diferentes temperaturas, presiones variables, y otras moléculas químicas que ejercen fuerzas capilares, Se ha vuelto primordial para el campo que los MOF tengan suficiente estabilidad mecánica.

Ahora, el laboratorio de Berend Smit en EPFL Sion con Lev Sarkisov de la Universidad de Edimburgo han descubierto cómo las propiedades mecánicas de los MOF se relacionan con su estructura, que ha sido durante mucho tiempo un obstáculo para optimizar la estabilidad de los materiales.

Para este estudio, los científicos se centraron en un tipo popular de MOF llamado "marcos de imidazolato zeolítico, "que se utilizan en la captura de carbono, catálisis, e incluso algunas estrategias de administración de fármacos. El equipo desarrolló un software que genera estructuras químicas para diseñar un gran número de estos MOF con diferentes estructuras moleculares. Al estudiar estos, pudieron extraer principios que conectan las propiedades mecánicas de un MOF con su estructura, así como materiales de diseño con mayor estabilidad mecánica.

Luego, los investigadores "decoraron" las partes orgánicas de los MOF con una variedad de grupos funcionales, término que se refiere a grupos de átomos que dan a la molécula (en este caso, el MOF) propiedades características específicas. Esta parte del estudio mostró que, dependiendo de la estructura de los poros, los mismos grupos funcionales pueden endurecer la estructura de un MOF y mejorar su estabilidad mecánica, o ablandarlo y hacerlo inestable.

La clave de los efectos de los grupos funcionales radica en las llamadas "interacciones no unidas, "que ocurren entre átomos sin enlaces químicos. Las interacciones no enlazadas incluyen interacciones electrostáticas y de Van der Waals; esta última gobierna la formación de gotas de agua.

Los científicos de EPFL encontraron que las interacciones no unidas juegan un papel importante en la rigidez de los MOF. Esto significa que los grupos funcionales ubicados estratégicamente pueden ayudar a ajustar la estabilidad mecánica de un MOF al introducir conectividad adicional entre sus átomos a través de interacciones no unidas.

Los autores describen los grupos funcionales que ayudan a llevar la carga mecánica aplicada al MOF como "cariátides químicas, "refiriéndose a las estatuas de mujeres que actuaban como columnas de soporte para estructuras en la antigua Grecia, los más famosos son los del Erecteion en la Acrópolis de Atenas.

"La adición de un grupo funcional puede parecer una decoración, pero si está estratégicamente ubicado, proporciona un refuerzo esencial de la estructura MOF, "dice Berend Smit" En nuestro laboratorio, hemos desarrollado el software que los grupos experimentales pueden utilizar para predecir si la adición de diferentes grupos funcionales mejora la estabilidad mecánica de su material ".