Une classe de matériaux appelés charpentes organiques métalliques, ou MOF, a suscité un intérêt considérable au cours des dernières années pour une variété d'applications potentielles liées à l'énergie, en particulier depuis que les chercheurs ont découvert que ces matériaux généralement isolants pouvaient également être rendus électriquement conducteurs.

Grâce à l'extraordinaire combinaison de porosité et de conductivité des MOF, cette découverte a ouvert la possibilité de nouvelles applications dans les batteries, réservoirs de carburant, supercondensateurs, électrocatalyseurs, et des capteurs chimiques spécialisés. Mais le processus de développement de matériaux MOF spécifiques possédant les caractéristiques souhaitées a été lent. C'est en grande partie parce qu'il a été difficile de comprendre leur structure moléculaire exacte et comment elle influence les propriétés du matériau.

Maintenant, des chercheurs du MIT et d'autres institutions ont trouvé un moyen de contrôler la croissance des cristaux de plusieurs types de MOF. Cela a permis de produire des cristaux suffisamment gros pour être sondés par une batterie de tests, permettant à l'équipe de décoder enfin la structure de ces matériaux, qui ressemblent aux réseaux hexagonaux bidimensionnels de matériaux comme le graphène.

Les résultats sont décrits aujourd'hui dans la revue Matériaux naturels , dans un article d'une équipe de 20 personnes au MIT et dans d'autres universités des États-Unis, Chine, et la Suède, dirigé par le professeur d'énergie W. M. Keck Mircea Dincă du département de chimie du MIT.

Depuis que les MOF conducteurs ont été découverts il y a quelques années, Dincă dit, de nombreuses équipes ont travaillé pour développer des versions pour de nombreuses applications différentes, "mais personne n'avait pu obtenir une structure du matériau avec autant de détails." Mieux les détails de ces structures sont compris, il dit, "il vous aide à concevoir de meilleurs matériaux, et beaucoup plus rapide. Et c'est ce que nous avons fait ici :nous avons fourni la première structure cristalline détaillée à résolution atomique. »

La difficulté de faire pousser des cristaux suffisamment gros pour de telles études, il dit, réside dans les liaisons chimiques au sein des MOF. Ces matériaux sont constitués d'un réseau d'atomes métalliques et de molécules organiques qui ont tendance à se former en cristaux en forme d'aiguille ou de fil tordus, car les liaisons chimiques qui relient les atomes dans le plan de leur réseau hexagonal sont plus difficiles à former et plus difficiles à rompre. En revanche, les liaisons dans le sens vertical sont beaucoup plus faibles et continuent donc à se rompre et à se reformer à un rythme plus rapide, provoquant la montée des structures plus vite qu'elles ne peuvent s'étendre. Les cristaux filiformes résultants étaient beaucoup trop petits pour être caractérisés par la plupart des outils disponibles.

L'équipe a résolu ce problème en modifiant la structure moléculaire de l'un des composés organiques du MOF afin qu'il modifie l'équilibre de la densité électronique et la façon dont il interagit avec le métal. Cela a inversé le déséquilibre dans la force des obligations et les taux de croissance, permettant ainsi la formation de feuilles de cristal beaucoup plus grandes. Ces cristaux plus gros ont ensuite été analysés à l'aide d'une batterie de techniques d'imagerie basées sur la diffraction à haute résolution.

Comme ce fut le cas avec le graphène, trouver des moyens de produire des feuilles plus grandes du matériau pourrait être une clé pour libérer le potentiel de ce type de MOF, Dincă dit. Initialement, le graphène ne pouvait être produit qu'en utilisant du ruban adhésif pour décoller des couches d'un seul atome d'un bloc de graphite, mais au fil du temps, des méthodes ont été développées pour produire directement des feuilles suffisamment grandes pour être utiles. L'espoir est que les techniques développées dans cette étude pourraient aider à ouvrir la voie à des avancées similaires pour les MOF, Dincă dit.

"Il s'agit essentiellement de fournir une base et un modèle pour la fabrication de gros cristaux de MOF bidimensionnels, " il dit.

Comme pour le graphène, mais contrairement à la plupart des autres matériaux conducteurs, les MOF conducteurs ont une forte directivité à leur conductivité électrique :ils conduisent beaucoup plus librement dans le plan de la feuille de matériau que dans la direction perpendiculaire.

Cette propriété, associée à la très grande porosité du matériau, pourrait en faire un candidat solide pour être utilisé comme matériau d'électrode pour les batteries, réservoirs de carburant, ou des supercondensateurs. Et quand ses composants organiques ont certains groupes d'atomes qui leur sont attachés qui se lient à d'autres composés particuliers, ils pourraient être utilisés comme détecteurs chimiques très sensibles.

Le graphène et la poignée d'autres matériaux 2-D connus ont ouvert un large éventail de recherches dans des applications potentielles dans l'électronique et d'autres domaines, mais ces matériaux ont des propriétés essentiellement fixes. Étant donné que les MOF partagent bon nombre des caractéristiques de ces matériaux, mais forment une large famille de variations possibles avec des propriétés variables, ils devraient permettre aux chercheurs de concevoir les types spécifiques de matériaux nécessaires pour une utilisation particulière, Dincă dit.

Pour les piles à combustible, par exemple, " vous voulez quelque chose qui a beaucoup d'emplacements actifs " pour une réactivité sur la grande surface offerte par la structure avec son treillis ajouré, il dit. Ou pour un capteur pour surveiller les niveaux d'un gaz particulier tel que le dioxyde de carbone, "vous voulez quelque chose de spécifique et qui ne donne pas de faux positifs." Ces types de propriétés peuvent être intégrés grâce à la sélection des composés organiques utilisés pour fabriquer les MOF, il dit.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.