Les MOF (ou structures métallo-organiques) sont des solides de réseau poreux hautement personnalisables comportant des cages qui peuvent être de plusieurs tailles et peuvent attirer et contenir une variété de composants chimiques, comme le dioxyde de carbone, méthane, et l'hydrogène gazeux. Et c'est cette spécificité polyvalente qui donne aux MOF autant de potentiel pour des applications dans les batteries de nouvelle génération et dans la capture du carbone, parmi une liste croissante. Malgré leurs nombreux traits positifs, leur ouverture, La structure poreuse - qui retient les électrons - n'est pas idéale pour les applications qui nécessitent que les électrons circulent librement avec les ions (particules chargées) à travers un appareil pour créer un courant électrique.

Maintenant, une équipe dirigée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie et de l'UC Berkeley a développé une technique pour fabriquer un MOF électriquement conducteur qui pourrait également être utilisé pour améliorer la conductivité d'autres MOF. Le travail a été signalé dans Matériaux naturels .

Pour contourner la conductivité électrique intrinsèquement faible des MOF, les chercheurs ont ajouté un mélange chimique de potassium à un MOF de benzènedipyrazolate de fer (BDP). Les électrons supplémentaires produits au cours de cette réaction peuvent ensuite entrer dans le centre de fer du MOF et conduire l'électricité en sautant le long d'un axe cristallin des cristaux en forme de tige. Le centre de fer agit comme un fil capable de conduire l'électricité.

La plupart des MOF se dégradent lorsqu'ils sont exposés au potassium, mais le fer BDP MOF comporte des canaux triangulaires robustes qui ont résisté pendant une série de tests où chaque réaction a augmenté le nombre d'électrons du matériau jusqu'à ce que la conductivité maximale pour ce matériau soit atteinte, résultant en un MOF qui conduit l'électricité jusqu'à 10, 000 fois mieux qu'avant qu'il ne subisse les réactions potassiques. "C'est incroyable que cette architecture, une fois incorporé dans un dispositif de type transistor de la taille du micron, nous a permis de mesurer le nombre d'électrons au fur et à mesure qu'il augmentait avec chaque réaction successive de potassium, " a déclaré Jeffrey Long, chercheur principal de la faculté à la Division des sciences des matériaux au Berkeley Lab et professeur de chimie et de génie chimique et biomoléculaire à l'UC Berkeley qui a été l'auteur principal de l'étude.

Un autre défi de cette étude consistait à développer les MOF afin que leurs atomes soient d'abord parfaitement alignés. Les électrons doivent se déplacer en ligne droite pour générer de l'électricité, puis à câbler ces dispositifs de la taille du micron pour mesurer leur conductivité. "C'était incroyablement difficile à faire, " a déclaré Long. "Nous n'avons pas pu faire pousser de très gros cristaux de ce MOF, et la taille et la forme dans lesquelles les cristaux se développent rendaient difficile leur connexion dans un appareil. Mais nous avons trouvé un moyen de contourner cela."

En collaboration avec le laboratoire de Peidong Yang, chercheur principal à la faculté des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de chimie et de science et ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley, les chercheurs ont placé des contacts en platine de chaque côté du cristal MOF, qui ne mesurent que 10 microns de long, soit la longueur de deux globules rouges alignés côte à côte. Le MOF nouvellement créé est une continuation des travaux signalés pour la première fois par le laboratoire de Long en 2009.

"Ce MOF a non seulement une conductivité électrique très élevée, mais sa chaîne de fer au centre peut être traduite en d'autres MOF assez facilement sans perdre beaucoup de conductivité, " a déclaré Michael Aubrey, un ancien étudiant chercheur diplômé du groupe Long à l'UC Berkeley qui est maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Stanford.

Les simulations de la structure électronique des MOF ont été dirigées par Jeff Neaton, directeur de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, une installation utilisateur du DOE Office of Science spécialisée dans la recherche en nanosciences. Les travaux de diffraction ont été effectués à la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne.

Cette première démonstration d'un MOF 3D hautement conducteur pourrait être de bon augure pour son utilisation future en tant que matériau polyvalent pour les batteries, supercondensateurs, et les piles à combustible. Il pourrait également être incorporé dans des matériaux composites existants pour les transformer en conducteurs poreux. Et parce que les composants organiques du MOF à teneur réduite en potassium sont commutables sans compromettre la stabilité ou la mobilité des électrons, il pourrait également être utilisé pour fabriquer différents composés pour les catalyseurs et les électrolytes.

Et l'avenir des MOF pourrait être encore plus prometteur alors que les chercheurs envisagent « d'augmenter encore plus les conductivités, " Long a dit. " Si nous pouvons avoir ce niveau de conductivité dans un matériau où les électrons se déplacent dans une dimension, on aimerait un jour créer des MOF qui ont des électrons mobiles en deux ou trois dimensions, " ce qui augmenterait leur potentiel pour les applications électroniques et les batteries.