Molekulares Origami: Ein Durchbruch bei dynamischen Materialien

20.12.2023

Origami, das traditionell mit dem Falten von Papier in Verbindung gebracht wird, hat über seine handwerklichen Ursprünge hinaus eine Vielzahl von Bereichen beeinflusst, darunter Kunst, Wissenschaft, Technik und Architektur. In jüngster Zeit haben sich die Origami-Prinzipien auch auf die Technik ausgeweitet, wobei die Anwendungen von Solarzellen bis hin zu biomedizinischen Geräten reichen. Während von Origami inspirierte Materialien in verschiedenen Größenordnungen erforscht wurden, blieb die Herausforderung bestehen, molekulare Materialien auf der Grundlage von Origami-Tessellationen zu schaffen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Wonyoung Choe vom Fachbereich Chemie am Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Südkorea, hat nun einen bemerkenswerten Durchbruch in Form eines zweidimensionalen (2D) metallorganischen Gerüsts (MOF) erzielt, das auf molekularer Ebene eine noch nie dagewesene Origami-ähnliche Bewegung zeigt.

Metallorganische Gerüste (MOFs) sind seit langem für ihre strukturelle Flexibilität bekannt, die sie zu einer idealen Plattform für Materialien auf Origami-Basis macht. Allerdings steckt ihre Anwendung in diesem Zusammenhang noch in den Kinderschuhen. Mit der Entwicklung eines 2D-MOFs auf der Grundlage des Origami-Tesseliers hat das Forscherteam einen wichtigen Meilenstein erreicht. Die Forscher nutzten die temperaturabhängige Synchrotron-Einkristall-Röntgenbeugung, um das Origami-ähnliche Faltverhalten der 2D-MOF als Reaktion auf Temperaturänderungen nachzuweisen. Dieses Verhalten zeigt eine negative thermische Ausdehnung und offenbart ein einzigartiges Origami-Mosaikmuster, das bisher auf molekularer Ebene nicht zu sehen war.

Der Schlüssel zu diesem Durchbruch liegt in der Wahl der MOFs, die flexible strukturelle Bausteine enthalten. Die inhärente Flexibilität ermöglicht die Origami-ähnliche Bewegung, die in dem 2D-MOF beobachtet wurde. Die Studie hebt die verformbare Netztopologie der Materialien hervor. Darüber hinaus wird die Rolle der Lösungsmittel bei der Aufrechterhaltung der Packung zwischen den 2D-Gerüsten in MOFs hervorgehoben, da sie den Grad der Faltung direkt beeinflussen.

"Diese bahnbrechende Forschung eröffnet neue Wege für von Origami inspirierte Materialien auf molekularer Ebene und führt das Konzept der Origamic MOFs ein. Die Ergebnisse tragen nicht nur zum Verständnis des dynamischen Verhaltens von MOFs bei, sondern bieten auch potenzielle Anwendungen für mechanische Metamaterialien", so Professor Wonyoung Choe. Er betonte außerdem das Potenzial der molekularen Kontrolle über die Origami-Bewegung als Plattform für die Entwicklung moderner Materialien mit einzigartigen mechanischen Eigenschaften. Die Studie zeigt auch spannende Möglichkeiten für die Anpassung von Origami-MOFs an spezifische Anwendungen auf, einschließlich Fortschritten im molekularen Quantencomputing.

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Originalveröffentlichung

Eunji Jin, In Seong Lee, D. ChangMo Yang, Dohyung Moon, Joohan Nam, Hyeonsoo Cho, Eunyoung Kang, Junghye Lee, Hyuk-Jun Noh, Seung Kyu Min, and Wonyoung Choe, “Origamic Metal-Organic Framework toward Mechanical Metamaterial,” Nature Communctions, (2023).

https://www.chemie.de/news/1182328/molekulares-origami-ein-durchbruch-bei-dynamischen-materialien.html