Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah desenvolvem novo método de design de MOF Uma técnica centenária de construção de janelas de pedra em arco inspirou uma nova maneira de formar janelas em nanoescala personalizadas em materiais funcionais porosos - estruturas metálicas orgânicas (MOFs) - que tem aplicações potenciais na separação de gases e nas áreas médicas. Uma versão molecular de um "modelo centrado" de arco arquitetônico é usada para guiar a formação de MOFs com aberturas de formato e tamanho predeterminados.
Novos MOFs projetados e fabricados usando esta abordagem variam de materiais porosos estreitos com potencial de separação de gases até estruturas macroporosas com potencial para aplicações médicas devido às suas excelentes capacidades de adsorção de oxigênio.
“Um dos objetivos mais desafiadores no projeto de novas estruturas é controlar precisamente a formação das estruturas”, disse Aleksandr Sapianik, pós-doutorado no grupo de Mohamed Eddaoudi que liderou o estudo. "Para a química de redes (a montagem de blocos de construção moleculares em materiais cristalinos porosos, como MOFs), a equipe de pesquisa percebeu que o conceito de modelo de centralização poderia fornecer um controle preciso."
O ponto de partida para a pesquisa são os MOFs semelhantes a zeólitos (ZMOFs), que normalmente têm janelas pentagonais emolduradas por blocos de construção chamados supertetraedros (STs). “Nosso objetivo é controlar o arranjo de STs desta topologia bem conhecida para uma que nunca foi relatada antes usando esses blocos de construção”, disse Sapianik.
A equipe de pesquisa desenvolveu agentes direcionadores de estrutura central (cSDA) para controlar o alinhamento ST e formar janelas ZMOF de novos formatos e tamanhos. Um conjunto de cSDA é projetado para estreitar o ângulo entre as células ST adjacentes, formando assim uma pequena janela. Outro conjunto de cSDA visa ampliar o ângulo entre as unidades ST, formando assim uma janela maior.
Marina Barsukova, pós-doutoranda na equipe de Eddaoudi, disse: "O tamanho e o volume dos poros do MOF são parâmetros importantes que afetam sua aplicação. Um ZMOF de janela grande (Fe-sod-ZMOF-320) projetado pela equipe mostra a maior capacidade de adsorção de oxigênio entre os MOFs conhecidos. Esta propriedade tem aplicações importantes na área médica e aeroespacial. É importante na indústria porque a alta capacidade pode aumentar a quantidade de oxigênio armazenado em garrafas de oxigênio ou tornar as garrafas de oxigênio menores e mais fáceis para transportar. O mesmo ZMOF também se destaca no armazenamento de metano e hidrogênio, ambos combustíveis potenciais. Outros ZMOFs da série com janelas estreitas também mostraram potencial na separação de gases de misturas moleculares.
Vincent Guillerm, pesquisador do grupo de Eddaoudi, disse que o conceito cSDA oferece várias vantagens que podem melhorar o desempenho dos MOFs. Ele disse: "O cSDA separa janelas grandes em janelas menores, e nossos resultados preliminares mostram que isso ajudará na separação química. Ele também fornece superfícies de poros internos adicionais, ajudando a melhorar o armazenamento de gás, e fortalece a estrutura MOF, melhorando assim a estabilidade do material. A abordagem centralizada que desenvolvemos é outra estratégia poderosa para química de rede, oferecendo grande potencial para fabricação sob demanda de MOFs para aplicações nas áreas de segurança energética e sustentabilidade ambiental. "