Une équipe de bio-ingénieurs de l'Université de l'Illinois a jeté un nouveau regard sur un ancien outil pour aider à caractériser une classe de matériaux appelés charpentes organiques métalliques - MOF en abrégé. Les MOF sont utilisés pour détecter, purifier et stocker les gaz, et pourrait aider à résoudre certaines des énergies les plus difficiles au monde, défis environnementaux et pharmaceutiques - ils peuvent même extraire des molécules d'eau directement de l'air pour soulager la sécheresse.

L'équipe de recherche, dirigé par le professeur de bio-ingénierie Rohit Bhargava, utilise l'imagerie chimique infrarouge pour examiner et optimiser la structure des MOF. Bien qu'il existe depuis plus d'une décennie, L'imagerie IR est largement sous-utilisée dans l'analyse des matériaux. Les chercheurs ont découvert qu'avec quelques modifications pour améliorer la vitesse d'analyse, c'est l'outil parfait pour cette application. Leurs conclusions sont publiées dans le Journal des lettres de chimie physique .

Les MOF sont des cristaux poreux à l'échelle microscopique fabriqués à partir d'ions métalliques liés entre eux par des molécules organiques appelées ligands. Bien qu'ils soient minuscules, ils ont une immense capacité d'absorption.

"Les pores permettent aux MOF de fonctionner comme de minuscules éponges qui peuvent absorber des produits chimiques tels que les produits pharmaceutiques et les gaz, " dit Sanghamitra Deb, chercheur postdoctoral au Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l'U. of I.

"La structure et la chimie précises des MOF influencent grandement leur fonctionnalité, " dit Prabuddha Mukherjee, un chercheur scientifique de l'Institut Beckman. "Par conséquent, une caractérisation détaillée est essentielle pour déterminer leur meilleure utilisation.

Les méthodes traditionnelles utilisées dans l'analyse de la science des matériaux, comme la microscopie électronique à haute puissance et la spectroscopie, ne pas combiner les connaissances chimiques avec la résolution spatiale de l'imagerie IR, les chercheurs ont dit, ils ne peuvent donc fournir que des mesures chimiques moyennes.

Les MOF se forment en cristallisant à partir d'une solution, et il n'y a aucun moyen de contrôler complètement leur structure ou leur chimie. "Ce manque de contrôle laisse beaucoup de place à la formation de défauts, et les méthodes traditionnelles de caractérisation nous disent seulement qu'il y a un défaut mais ne peuvent pas localiser l'emplacement précis, " a déclaré Mukherjee.

"L'imagerie IR nous permet de voir la chimie et la structure d'un seul coup, " a déclaré Ayanjeet Ghosh, chercheur postdoctoral au Beckman Institute. "Nous pouvons résoudre des structures jusqu'à quelques microns et déterminer leur composition chimique sur des zones de quelques microns, comprendre comment et pourquoi les spectres changent en fonction de l'espace, et le faire avec une seule analyse."

L'imagerie IR offre également une gamme d'échelles unique pour travailler, les chercheurs ont dit.

"Nous n'avons pas besoin de voir à l'échelle atomique, comme de nombreuses méthodes de microscopie électronique à haute puissance offrent, " Dit Deb. " A cette échelle, il faudrait beaucoup de temps pour scanner les appareils fabriqués avec des MOF, qui mesurent généralement environ un millimètre carré."

Finalement, beaucoup d'autres techniques traditionnelles sont destructrices, ce qui signifie qu'une fois analysé avec une méthode, l'échantillon ne peut pas être examiné avec des outils supplémentaires. "Nous pourrons peut-être repérer une aberration en chimie via la spectroscopie, mais nous n'avons pas la possibilité de voir où le défaut existe réellement en utilisant une autre méthode car l'échantillon a maintenant disparu, " dit Ghosh. " Avec l'imagerie IR, nous pouvons faire les deux en même temps."

"Cette utilisation unique d'une technique plus ancienne, mais avec une nouvelle instrumentation, nous permet de déterminer rapidement la qualité et la meilleure application pour des MOF spécifiques de manière non destructive - quelque chose qu'aucun autre groupe n'a été capable de faire, " a déclaré Mukherjee.

Le groupe envisage d'utiliser cette technique avec d'autres appareils fabriqués dans des conditions similaires, ainsi que des utilisations en dehors du domaine de la science des matériaux.