Los MOF, o estructuras organometálicas, son sólidos de red porosos altamente personalizables con jaulas que pueden venir en muchos tamaños y pueden atraer y contener una variedad de componentes químicos. como el dióxido de carbono, metano, y gases de hidrógeno. Y es esta especificidad versátil la que le da a los MOF tanto potencial para aplicaciones en baterías de próxima generación y en captura de carbono. entre una lista creciente. A pesar de sus muchos rasgos positivos, su abierto, La estructura porosa, que retiene electrones, no es ideal para aplicaciones que requieren que los electrones fluyan libremente con iones (partículas cargadas) a través de un dispositivo para crear una corriente eléctrica.

Ahora, Un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) y UC Berkeley ha desarrollado una técnica para hacer un MOF eléctricamente conductor que también podría usarse para mejorar la conductividad de otros MOF. El trabajo fue reportado en Materiales de la naturaleza .

Para evitar la conductividad eléctrica inherentemente baja de los MOF, los investigadores agregaron una mezcla química de potasio a un MOF de bencenodipirazolato de hierro (BDP). Los electrones adicionales producidos durante esta reacción pueden entrar en el centro de hierro del MOF y conducir la electricidad saltando a lo largo de un eje de cristal de los cristales en forma de varilla. El centro de hierro actúa como un cable capaz de conducir electricidad.

La mayoría de los MOF se degradan cuando se exponen al potasio, pero el hierro BDP MOF presenta canales triangulares robustos que se mantuvieron durante una serie de pruebas en las que cada reacción aumentó el conteo de electrones del material hasta que se alcanzó la conductividad máxima para ese material, resultando en un MOF que conduce electricidad hasta 10, 000 veces mejor que antes de sufrir las reacciones de potasio. "Es sorprendente que esta arquitectura, una vez incorporado en un dispositivo similar a un transistor del tamaño de una micra, nos permitió medir el conteo de electrones a medida que aumentaba con cada reacción sucesiva de potasio, "dijo Jeffrey Long, científico principal de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales en Berkeley Lab y profesor de química e ingeniería química y biomolecular en UC Berkeley, quien se desempeñó como autor principal del estudio.

Otro desafío en este estudio fue hacer crecer los MOF para que sus átomos estén primero perfectamente alineados (los electrones deben viajar en una ruta recta para generar electricidad) y luego conectar estos dispositivos del tamaño de un micrón para medir su conductividad. "Esto fue increíblemente difícil de hacer, ", dijo Long." No pudimos cultivar cristales muy grandes de este MOF, y el tamaño y la forma en que crecen los cristales hizo que fuera difícil conectarlos en un dispositivo. Pero encontramos una forma de evitar eso ".

Trabajando con el laboratorio de Peidong Yang, un científico de la facultad senior en la División de Ciencias de los Materiales en Berkeley Lab y profesor de química y ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley, los investigadores colocaron contactos de platino a cada lado del cristal MOF, que tienen solo 10 micrones de largo, la longitud de dos glóbulos rojos alineados uno al lado del otro. El MOF recién creado es una continuación del trabajo del que informó por primera vez el laboratorio de Long en 2009.

"Este MOF no solo tiene una conductividad eléctrica realmente alta, pero su cadena de hierro en el centro se puede traducir a otros MOF con bastante facilidad sin perder mucha conductividad, "dijo Michael Aubrey, ex investigador estudiante de posgrado en el grupo Long en UC Berkeley que ahora es investigador postdoctoral en la Universidad de Stanford.

Las simulaciones de la estructura electrónica de los MOF fueron dirigidas por Jeff Neaton, director de la fundición molecular de Berkeley Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que se especializa en investigación en nanociencia. El trabajo de difracción se realizó en Advanced Photon Source en Argonne National Laboratory.

Esta demostración temprana de un MOF 3-D altamente conductivo podría ser un buen augurio para su uso futuro como material de uso general para baterías. supercondensadores, y pilas de combustible. También podría incorporarse a materiales compuestos existentes para transformarlos en conductores porosos. Y debido a que los componentes orgánicos del MOF reducido en potasio son intercambiables sin comprometer la estabilidad o la movilidad de los electrones, también podría usarse para fabricar diferentes compuestos para catalizadores y electrolitos.

Y el futuro de los MOF puede ser aún más brillante ya que los investigadores miran hacia el futuro para "impulsar aún más las conductividades, "Dijo Long." Si podemos tener este nivel de conductividad en un material donde los electrones se mueven en una dimensión, nos gustaría algún día crear MOF que tengan electrones móviles en dos o tres dimensiones, "lo que ampliaría su potencial para aplicaciones de batería y electrónica.