MOFs der Zukunft
Auf dem Weg zu funktionalen Gläsern und Flüssigkeiten
Metallorganische Gerüste (MOFs) sind poröse, kristalline Materialien, die Verbindungen in ihren molekularen Hohlräumen einschließen können, was ihnen eine breite Palette von Anwendungen bei der Gasspeicherung und -trennung, der Kohlenstoffabscheidung und der Katalyse chemischer Reaktionen, um nur einige zu nennen, ermöglicht. Ein neuer Bereich von Anwendungen wird nun untersucht, indem kristalline MOFs in flüssige und/oder glasartige Zustände umgewandelt werden.
Das neuartige DNA-bindende Molekül kombiniert mehrere Werkzeuge in einer einzigen synthetischen Plattform, wie ein chemisches Schweizer Messer.
Illustration by Mindy Takamiya (CC BY 4.0)
"MOFs sind eine relativ neue Materialklasse, und die meisten der in den letzten 20 Jahren entwickelten Materialien sind im kristallinen Zustand", sagt Satoshi Horike, ein Materialwissenschaftler des Instituts für integrierte Zell-Material-Wissenschaften (iCeMS) der Universität Kyoto. "Vor kurzem haben wir in MOFs nicht-kristallines Glas oder flüssige Zustände gefunden und schlagen vor, dass sie ein großes Potenzial als zukünftige Materialien haben.
Zusammen mit dem Materialchemiker Susumu Kitagawa und Kollegen überprüfte Horike die neuesten Fortschritte und Perspektiven auf diesem Gebiet für die Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition.
Zehntausende von MOFs wurden seit ihrer ersten Entdeckung in den späten 1990er Jahren synthetisiert. Technologische Fortschritte ermöglichen es den Forschern nun, aufzudecken, was auf molekularer Ebene geschieht, wenn einige MOFs auf einen Schmelzpunkt erhitzt und dann abgekühlt werden, um einen glasähnlichen Zustand zu erzeugen. Bisher haben Forscher über etwa zehn MOFs berichtet, die in eine Flüssigkeit geschmolzen und/oder in einen Glaszustand überführt werden können. Ihre Schmelztemperaturen liegen zwischen 184°C und 593°C, abhängig von ihren Kristallstrukturen.
Wenn diese Art von MOF erhitzt wird, beginnen seine Metallionen und organischen Liganden innerhalb der Kristalle zu wackeln, wenn das Material schmilzt. Die Bindungsabstände in seinen Polymerketten verlängern sich auch bei weiter steigenden Temperaturen. Die Struktur des kristallinen Zustands eines MOFs ist sehr geordnet. Der gläserne Zustand hat eine "mittlere Ordnung", bei der die Verbindungen brechen, aber Teile der erweiterten Struktur im Allgemeinen an Ort und Stelle bleiben. Wenn ein MOF den flüssigen Zustand erreicht, kommt es zu einer viel stärkeren molekularen Fragmentierung, aber ein Teil seiner internen Struktur behält ein Element der Konnektivität bei.
Nicht alle diese MOFs können durch Abkühlen ihres flüssigen Zustands in Glas umgewandelt werden. Einige erfordern eine mechanische, schleifähnliche Behandlung, um Glas zu formen. Während dieses Prozesses könnte die Zugabe bestimmter Chemikalien zu dem Material einige seiner physikalischen Eigenschaften modulieren, wie z.B. die Verbesserung der Protonenleitfähigkeit.
Flüssig- und Glas-MOFs könnten einen neuen Materialzustand schaffen, der Porosität, Ionenleitfähigkeit und optische Eigenschaften wie Lumineszenz aufweist. Sie sind auch vielversprechend für die Wärmespeicherung, in Energiegeräten und für die Gaspermeation. Hybridmaterialien, die Glas oder flüssige MOFs mit anderen Materialien wie organischen Polymeren, Metallpartikeln oder Metallionen enthalten, könnten als starke Klebstoffe in Energievorrichtungen oder in katalytischen Reaktionen verwendet werden.
Die Forscher schlagen vor, dass die Wissenschaftler die riesige Bibliothek, die für kristalline MOFs zur Verfügung steht, unter dem Gesichtspunkt der Phasenumwandlung in Flüssigkeit und/oder Glas noch einmal durchgehen sollten. Dies könnte zur Entwicklung neuer funktioneller Materialien führen.
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