Les structures métallo-organiques (MOF) sont des matériaux avec des pores de taille nanométrique dans leurs structures cristallines. Ces pores permettent aux MOF de capturer les molécules si efficacement qu'ils sont maintenant des candidats de choix dans des applications telles que la capture du carbone et la filtration de l'eau.

Le défi avec les MOF est leur stabilité mécanique. Les matériaux sont vulnérables aux contraintes physiques et chimiques, qui peuvent affecter leur structure et, finalement, leur performance. Étant donné que de nombreuses applications MOF impliquent un cycle entre différentes températures, pressions variables, et d'autres molécules chimiques exerçant des forces capillaires, il est devenu primordial pour le domaine que les MOF présentent une stabilité mécanique suffisante.

Maintenant, le laboratoire de Berend Smit à l'EPFL Sion avec Lev Sarkisov de l'Université d'Edimbourg ont découvert comment les propriétés mécaniques des MOF sont liées à leur structure, qui a longtemps été un frein à l'optimisation de la stabilité des matériaux.

Pour cette étude, les scientifiques se sont concentrés sur un type populaire de MOFs appelés "cadres d'imidazolate zéolitiques, " qui sont utilisés dans le captage du carbone, catalyse, et même certaines stratégies d'administration de médicaments. L'équipe a développé un logiciel qui génère des structures chimiques pour concevoir un grand nombre de ces MOF avec différentes structures moléculaires. En les étudiant, ils ont pu extraire des principes qui relient les propriétés mécaniques d'un MOF à sa structure, ainsi que des matériaux de conception avec une stabilité mécanique améliorée.

Les chercheurs ont ensuite "décoré" les parties organiques des MOF avec une variété de groupes fonctionnels, un terme qui fait référence aux groupes d'atomes qui donnent la molécule (dans ce cas, le MOF) propriétés caractéristiques spécifiques. Cette partie de l'étude a montré que, selon la structure des pores, les mêmes groupes fonctionnels peuvent soit durcir la structure d'un MOF et améliorer sa stabilité mécanique, ou le ramollir et le rendre instable.

La clé des effets des groupes fonctionnels réside dans ce qu'on appelle les « interactions non liées, " qui se produisent entre des atomes sans liaison chimique. Les interactions non liées incluent les interactions électrostatiques et de Van der Waals - cette dernière régit la formation de gouttelettes d'eau.

Les scientifiques de l'EPFL ont découvert que les interactions non liées jouent un rôle important dans la rigidité des MOF. Cela signifie que des groupes fonctionnels stratégiquement placés peuvent aider à régler la stabilité mécanique d'un MOF en introduisant une connectivité supplémentaire entre ses atomes via des interactions non liées.

Les auteurs décrivent les groupes fonctionnels qui aident à supporter la charge mécanique appliquée au MOF comme « cariatides chimiques, " se référant aux statues de femmes qui servaient de colonnes de soutien aux structures de la Grèce antique, le plus célèbre ceux de l'Erechtheion sur l'Acropole à Athènes.

"L'ajout d'un groupe fonctionnel peut ressembler à une décoration, mais s'il est stratégiquement placé, il apporte un renfort essentiel de la structure MOF, " dit Berend Smit " Dans notre laboratoire, nous avons développé le logiciel que les groupes expérimentaux peuvent utiliser pour prédire si l'ajout de différents groupes fonctionnels améliore la stabilité mécanique de leur matériau."