Класс материалов, называемых металлоорганическими каркасами, или MOF, вызвал значительный интерес за последние несколько лет в различных областях, связанных с потенциальной энергией, особенно после того, как исследователи обнаружили, что эти обычно изолирующие материалы также можно сделать электропроводящими.
Благодаря необычайному сочетанию пористости и проводимости MOF это открытие открыло возможность для новых применений в батареях, топливных элементах, суперконденсаторах, электрокатализаторах и специализированных химических датчиках. Но процесс разработки конкретных MOF-материалов, обладающих желаемыми характеристиками, идет медленно. Во многом это связано с тем, что было сложно определить их точную молекулярную структуру и то, как она влияет на свойства материала.
Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и других организаций нашли способ контролировать рост кристаллов нескольких типов MOF. Это позволило создать кристаллы, достаточно большие, чтобы их можно было исследовать с помощью серии тестов, что позволило команде окончательно расшифровать структуру этих материалов, которые напоминают двумерные гексагональные решетки таких материалов, как графен.
Результаты описываются в журнале Nature Materials , в статье группы из Массачусетского технологического института и других университетов США, Китая и Швеции под руководством профессора энергетики WM Keck Мирчи Динка из химического факультета Массачусетского технологического института.
По словам Динка, с тех пор, как несколько лет назад были впервые обнаружены проводящие MOF, многие команды работали над разработкой версий для множества различных приложений, «но никому не удавалось получить структуру материала с такими подробностями». По его словам, чем лучше понимаются детали этих структур, «это помогает вам проектировать лучшие материалы и намного быстрее. И вот что мы здесь сделали: мы предоставили первую подробную кристаллическую структуру с атомным разрешением ».
По его словам, сложность выращивания кристаллов, которые были достаточно большими для таких исследований, заключаются в химических связях внутри MOF. Эти материалы состоят из решетки атомов металлов и органических молекул, которые имеют тенденцию образовывать изогнутые игольчатые или нитевидные кристаллы, потому что химические связи, которые соединяют атомы в плоскости их гексагональной решетки, сложнее сформировать и труднее разорвать. Напротив, связи в вертикальном направлении намного слабее и поэтому продолжают разрываться и реформироваться с большей скоростью, в результате чего структуры поднимаются быстрее, чем они могут расширяться. Полученные веретенообразные кристаллы были слишком малы, чтобы их можно было охарактеризовать с помощью большинства доступных инструментов.
Команда решила эту проблему, изменив молекулярную структуру одного из органических соединений в MOF, так что это изменило баланс электронной плотности и способ взаимодействия с металлом. Это устранило дисбаланс в прочности связи и скорости роста, что позволило сформировать гораздо более крупные кристаллические листы. Затем эти более крупные кристаллы были проанализированы с использованием набора методов визуализации с высоким разрешением, основанных на дифракции.
MIT News
Иллюстрация: MIT News