Los Marcos Metal-Orgánicos están formados por el ensamblaje de una gran variedad de nodos inorgánicos y ligandos orgánicos multitópicos. Crédito:HIMS
En un estudio recién publicado en la reconocida revista Materiales funcionales avanzados , un equipo de investigadores estadounidenses y holandeses presenta estrategias de diseño para ajustar el comportamiento de expansión térmica de los marcos metalorgánicos microporosos (MOF). En particular, la capacidad de obtener coeficientes de expansión térmica negativos es de gran relevancia para la aplicación potencial de los MOF, por ejemplo, en las interfaces de los materiales donde podrían evitar el agrietamiento y el pelado. El Dr. David Dubbeldam y el Dr. Jurn Heinen del Instituto Van 't Hoff de Ciencias Moleculares (HIMS) de la Universidad de Ámsterdam contribuyeron a la investigación, que incluía tanto trabajo experimental como simulación por ordenador.
En materia condensada, un aumento de temperatura conduce generalmente a un aumento de volumen. En aplicaciones donde los materiales se colocan en ambientes confinados, este fenómeno de expansión térmica positiva (PTE) puede causar un estrés significativo o incluso una falla catastrófica del dispositivo. En las interfaces de materiales en recubrimientos o películas, un desajuste en las propiedades de expansión térmica puede provocar grietas y peladuras. La disponibilidad de materiales con un comportamiento de expansión térmica personalizado mitigaría tales problemas y sería de gran valor para una variedad de otros desafíos de ingeniería y diseño de materiales.
MOF como una clase emergente de materiales con expansión térmica negativa
Se predice que las estructuras metalorgánicas (MOF) exhibirán una expansión térmica negativa (NTE) generalizada, debido en parte a su nanoporosidad y características de estructura flexible. Son particularmente intrigantes como materiales NTE ya que ofrecen una gran flexibilidad de diseño, una característica que los distingue de los materiales de zeolita NTE. Los MOF se forman mediante el ensamblaje de una gran variedad de nodos inorgánicos y ligandos orgánicos multitópicos. Estos últimos también permiten un mayor grado de flexibilidad estructural que puede promover aún más su potencial para exhibir NTE a gran escala.
Resumen de las estrategias de diseño para el control de la expansión térmica en estructuras nanoporosas metalorgánicas. a:Modificación de la masa estérica del ligando. b:Cambio de identidad del metal en el grupo inorgánico. c:alteración de la topología del marco. d:Variando las especies invitadas. e:alteración de la longitud del ligando. Crédito:HIMS / Materiales funcionales avanzados
Estrategias de diseño para adaptar la expansión térmica en MOF microporosos
Las estrategias de diseño MOF ahora publicadas en Materiales funcionales avanzados son el resultado de un esfuerzo colaborativo estadounidense / holandés donde la investigación experimental en Sandia Labs (Livermore, California, EE. UU.) Y Georgia Tech (Atlanta, Georgia, EE.UU.) fue apoyado por simulaciones por computadora realizadas por el Dr. Jurn Heinen y el Dr. David Dubbeldam del grupo de Química Computacional en el Instituto Van 't Hoff de Ciencias Moleculares (Amsterdam, Los países bajos). Heinen también se unió al autor principal Nicholas Burtch (Sandia) en la recopilación de datos de difracción de radiación de sincrotrón en muchas muestras de MOF en la Fuente de Fotones Avanzada (APS) en el Laboratorio Nacional de Argonne (Lemont, Illinois, NOSOTROS.).
Variando independientemente el metal, ligando, topología, y especies invitadas, Los investigadores establecieron cómo se pueden ajustar las características de expansión térmica de MOF en dirección positiva o negativa. Presentan varias estrategias de diseño para adaptar el comportamiento de expansión térmica de MOF variando sus propiedades estructurales y el entorno del huésped. como se resume en la figura siguiente.
Los investigadores también publican una guía de selección concisa para materiales NTE isotrópicos basada en valores promedio del coeficiente de expansión térmica informado para materiales seleccionados en varios rangos de temperatura. Dependiendo de la aplicación de destino, Los MOF pueden proporcionar ventajas sobre las clases de materiales tradicionales que incluyen un rango extendido sobre el que se exhibe NTE, químico mejorado, mecánico, y propiedades de estabilidad térmica y, por su porosidad, la explotación del entorno huésped como estrategia de control de expansión térmica. Se puede cubrir un gran espacio de diseño mediante una caracterización adicional de los miles de MOF que ya se han sintetizado y reportado en la literatura. Sin embargo, antes de ser útil en aplicaciones de materiales compuestos, Deben realizarse estudios sobre cómo la expansión térmica negativa a nanoescala (cristalográfica) encontrada en los MOF se traduce en una reducción del coeficiente de expansión térmica a escala macroscópica (a granel).
Más generalmente, Una comprensión fundamental de la expansión térmica de MOF es crucial para avanzar en su uso en una amplia gama de aplicaciones potenciales que incluyen monolitos revestidos, sensores de microcantilever, y dispositivos electrónicos. En cada uno de estos escenarios, surgirán cambios de temperatura, y un desajuste en el coeficiente promedio de expansión térmica del MOF y su material de sustrato producirá tensiones residuales que pueden conducir a un comportamiento de agrietamiento y pelado o comprometer la adhesión entre el MOF y su capa interconectada.
