Vikbar kemi – nytt perspektiv på porösa material

​Vi är vana vid att fasta material beter sig på ett visst sätt. Värmer man på dem utvidgar de sig, sätter man dem under tryck minskar de något i volym och drar man i ett elastiskt material som till exempel ett gummiband blir det smalare. Men vissa material med kanaler och hålrum på molekylär nivå, har visat sig bete sig mer komplext. Värmer man på dem kan de krympa på en eller flera ledder, drar man i dem kan de öka i volym, trycker man på dem kan de expandera. Dessa egenskaper återfinns till exempel hos metallorganiska ramverksföreningar som byggs upp, inte som tätt packade atomer och molekyler, utan som regelbundna nätverk i tre dimensioner. Nätverken har knutpunkter av metalljoner som är hoplänkade av längre organiska molekyler.

Chalmersforskarnas studie visar nu att i vissa av de här nätverken sammankopplas knutpunkterna på ett unikt sätt som gör att de går att fälla ihop utan att vare sig geometrin runt knutpunkterna eller länkarna mellan dessa påverkas. Det innebär i praktiken att materialet kan ändra form, volym och densitet utan att de molekylära komponenterna går sönder eller ändrar form. Lite som ett vikbart flaskställ. Upptäckten förutses kunna göra nytta inom så vitt skilda områden som utvinning av vatten ur ökenluft, lagring av vätgas och biogas inom förnyelsebar energiteknik, katalys och läkemedelsutveckling.

– När vi med klassiskt modellbyggande med plaströr och kulor, löste problemet med hur man sammanfogar knutpunkter med triangulär geometri och sexkantig geometri till ett oändligt upprepande mönster i tre dimensioner, hittade vi denna grupp av nätverk.” säger Françoise Noa, doktor i kemi vid Institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola.

– Sen upptäckte vi helt enkelt att modellen vi hade byggt gick att fälla ihop” fortsätter Lars Öhrström, professor i oorganisk kemi, vid Institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola, som är forskningsledare för studien.

Forskarna har också kunnat identifiera ett antal sådana nätverkstopologier, det vill säga beskrivningen av mönstret som de olika nätverken är hopkopplade i, som nu blir möjliga syntesmål för nya metallorganiska ramverksföreningar med unika egenskaper, som till exempel att utvidgas när de sätts under gastryck eller att öka i volym om man drar i en viss riktning men inte i en annan.
Karaktärisering av de nya ramverksföreningarna gjordes med hjälp av framför allt enkristalldifferaktion, i ett samarbete med forskare vid Syddanskt universitet, Stockholms universitet och Uppsala universitet. Där använder man röntgenstrålning för att utröna de exakta atompositionerna i det fasta materialet. Vilket är ett oumbärligt sätt att studera allt från proteiner till läkemedelsmolekyler och material. Dessutom användes masspektrometritekniken ToF-SIMS till att ”titta inuti” en del av dessa kristaller.

” A very nice study, beautiful MOFs and expert topological analysis. An enjoyable read!” kommenterar Professor Neil Champness, välkänd forskare inom metallorganiska ramverksföreningar och verksam vid University of Nottingham i England, forskningen på twitter.

Om den vetenskapliga artikeln:

Artikeln “Metal–Organic Frameworks with Hexakis(4-carboxyphenyl)benzene: Extensions to Reticular Chemistry and Introducing Foldable Nets “ har publicerats i Journal of the American Chemical Society. Den är skriven av Francoise M. Amombo Noa, Erik Svensson Grape, Steffen M. Brülls, Ocean Cheung, Per Malmberg, A. Ken Inge, Christine J. McKenzie, Jerker Mårtensson, and Lars Öhrström
Ett 6 min kort föredrag som ett komplement till artikeln finns här:
http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/jacs.0c02984

Fakta: kristallografi – enkristalldiffraktion

Enkristalldiffraktion baseras på en förledande enkel ekvation som talar om hur röntgenljus studsar mellan två plan, Braggs ekvation. Den här enkla ekvationen ger i det här sammanhanget, upphov till mycket komplicerad matematik med kopplingar till bland annat det abstrakta området gruppteori. Lösningen av ekvationen i form av exakta atompositioner i en kristall kräver dessutom sofistikerad kodning, avancerade röntgendetektormaterial och en rörlig finmekanik med otrolig precision. Också en skicklig kristallograf, då fällorna lurar runt varje hörn och möjligheterna att gå fel är många, alltifrån i det mödosamma arbetet med att välja kristaller under mikroskop till den sista matematiska modelleringen i datorn.
FN utlyste 2014 som det Internationella kristallografiåret och mer information finns att hämta på den internationella websidan https://www.iycr2014.org.

Läs vidare

Om att lagra vätgas och biogas i metallorganiska ramverksföreningar, Omar K Farha och medarbetare i Science 2020.
”Balancing volumetric and gravimetric uptake in highly porous materials for clean energy”

Om att utvinna vatten ur ökenluft med metallorganiska ramverksföreningar, Omar Yaghi och medarbetare i Nature Nanotechnology 2020.
”MOF water harvesters”