El potencial de aplicación de las estructuras metalorgánicas se descubrió por primera vez hace unos 20 años, y casi 100, Desde entonces se han identificado 000 de estos materiales porosos híbridos. Hay grandes esperanzas para las aplicaciones técnicas, especialmente para MOF flexibles. Como amortiguadores, por ejemplo, podrían reaccionar a una presión alta repentina cerrando los poros y perdiendo volumen, es decir, deformarse plásticamente. O podrían separar sustancias químicas entre sí como una esponja absorbiéndolas en sus poros y liberándolas nuevamente bajo presión. "Esto requeriría mucha menos energía que el proceso de destilación habitual, "explica Rochus Schmid. Sin embargo, Hasta la fecha, solo se han identificado unos pocos MOF flexibles de este tipo.

MOF bajo presión

Para llegar al fondo de los mecanismos subyacentes dentro de dichos materiales, el equipo de Munich ha llevado a cabo un análisis experimental más detallado de un MOF ya ampliamente conocido. Para tal fin, los investigadores lo sometieron a una presión uniforme desde todos los lados, mientras observa lo que sucede en el interior mediante análisis de estructura de rayos X.

"Queríamos saber cómo se comporta el material bajo presión y qué factores químicos son la fuerza impulsora detrás de las transiciones de fase entre el estado de poro abierto y el de poro cerrado, "dice Gregor Kieslich. El experimento demostró que la forma de poro cerrado no es estable; bajo presión, el sistema pierde su orden cristalino, en resumen:se rompe.

Este no es el caso con una variante de la misma estructura básica:si el equipo unió cadenas laterales flexibles de átomos de carbono a las piezas de conexión orgánicas del MOF que sobresalen en los poros, el material permaneció intacto cuando se comprimió y recuperó su forma original cuando la presión disminuyó. Los brazos de carbono convirtieron el material no flexible en un MOF flexible.

El secreto de la transformación de fase

El equipo de Bochum investigó los principios subyacentes utilizando simulaciones de dinámica molecular y química informática. "Hemos demostrado que el secreto está en los grados de libertad de las cadenas laterales, la llamada entropía, "describe Rochus Schmid." Todos los sistemas de la naturaleza se esfuerzan por lograr la mayor entropía posible, para hacerlo mas simple, el mayor número posible de grados de libertad para distribuir la energía del sistema ".

"La gran cantidad de posibles disposiciones de los brazos de carbono en los poros asegura que la estructura de poros abiertos del MOF se estabilice entrópicamente, "Schmid continúa." Esto facilita una transformación de fase de la estructura de poros abiertos a la estructura de poros cerrados y viceversa, en lugar de romperse cuando los poros se comprimen como sería el caso sin los brazos de carbono ". Para calcular un sistema tan grande compuesto por muchos átomos y buscar las muchas configuraciones posibles de los brazos en los poros, el equipo desarrolló un modelo teórico preciso y numéricamente eficiente para la simulación.

El resultado clave del estudio es la identificación de otra opción química para controlar y modificar el comportamiento de respuesta macroscópica de un material inteligente mediante un factor termodinámico. "Nuestros hallazgos abren nuevas formas de lograr específicamente transformaciones de fase estructural en MOF porosos, "concluye Gregor Kieslich.