Il y a un besoin urgent de contrôler les matériaux au niveau moléculaire pour fabriquer des "matériaux à la demande". Une stratégie de développement de tels matériaux est en cours de développement en chimie réticulaire, dérivé de la traduction latine « réticulum » comme « ayant la forme d'un filet ». La stratégie relie des unités de construction discrètes (molécules et amas) via des liaisons pour créer des structures cristallines larges et étendues. Les charpentes métallo-organiques (MOF) sont la classe de matériaux la plus importante dans le domaine de la chimie réticulaire. Tellement cristallin, les structures étendues sont construites en assemblant des clusters polynucléaires inorganiques appelés unités de construction secondaires (SBU) et des lieurs organiques via des liaisons fortes.

Les deux dernières décennies ont vu une croissance explosive dans le domaine des MOF, avec plus de 84, 185 structures MOF documentées dans le Cambridge Crystallographic Data Centre. Une collection d'articles sur la synthèse, la structure et l'application des MOF continuent d'être publiées chaque année. L'approche SBU a fait de la chimie MOF le contributeur le plus important au développement rapide observé dans le domaine. De nombreuses synthèses MOF, les enquêtes et les applications sont dérivées de l'approche SBU. Passant maintenant en revue le domaine de la chimie MOF pour Avancées scientifiques , Markus Kalmutzki, Nikita Hankel et Omar M. Yaghi – récemment récompensés par le BBVA Foundation of Frontiers of Knowledge Award dans la catégorie Sciences fondamentales – examinent l'histoire des MOF et leurs applications qui ont surgi via l'approche SBU.

Les charpentes métallo-organiques (MOF) sont une classe fascinante de matériaux hautement poreux. Ils sont structurellement composés d'ions/amas métalliques et de lieurs organiques pour une diversité fonctionnelle prometteuse dans une variété de domaines. Les propriétés incluent leur cristallinité unique, porosité et diversité structurelle réglables. Les performances des MOF ont été mises en évidence dans diverses applications telles que le stockage de gaz, la détection de la catalyse et l'administration du médicament. En particulier, Les SBU jouent un rôle important dans l'absorption de vapeur, comme indiqué avec une absorption d'eau élevée. La diversité structurelle des MOF dépend des SBU avec des travaux futurs prévus pour des applications industrielles, notamment l'absorption et la séparation de gaz, récupérer l'eau de l'air, bioimagerie et thérapeutique.

Intentionnellement, nœuds d'amas polynucléaires, également connu sous le nom de SBU, sont capables de conférer (1) une stabilité thermodynamique via de fortes liaisons covalentes et (2) une stabilité mécanique/architecturale par de fortes liaisons directionnelles qui peuvent verrouiller la position des centres métalliques dans les structures métallo-organiques. Cette propriété contraste avec celles des nœuds métalliques uniques instables et non directionnels qui forment des liaisons faibles avec les lieurs donneurs organiques neutres.

Contrairement à la méthode imprévisible de la chimie organique synthétique traditionnelle où il existe peu ou pas de corrélation entre la structure des matériaux de départ et des produits, une plus grande prévisibilité existe dans la chimie MOF, car ils sont conçus avec des topologies prédéterminées. Dans le processus de synthèse, les unités chimiques de construction requises pour construire le filet sélectionné sont déterminées. La diversité structurelle observée dans la chimie MOF provient d'une grande variété de géométries SBU disponibles; des structures spécifiques peuvent être conçues en choisissant des unités de construction de forme et de taille appropriées.

Les auteurs ont ensuite détaillé diverses méthodes de synthèse MOF, leur complexité, les charpentes chimiques et les applications issues des unités de construction secondaires pendant le développement du MOF. En pratique, Les MOF peuvent être utilisés pour le stockage et la séparation du gaz avec des implications spécifiques pour séparer le dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre pour la durabilité environnementale. Les charpentes organiques métalliques peuvent également former des catalyseurs hétérogènes polyvalents pour des transformations organiques efficaces, être utilisés comme capteurs luminescents et dans l'administration de cargaisons de médicaments pour le traitement du cancer.

Les applications dans divers domaines ont été rendues possibles par la porosité inhérente aux MOF, rendu possible par l'approche SBU. La nature chimique inhérente aux MOF et SBU qui a conduit au développement des propriétés d'adsorption, la séparation et la catalyse ont ensuite été disséquées plus avant dans l'examen. L'accessibilité de l'espace poreux au sein de structures à cadre ouvert a permis les applications observées pour les MOF dans différents domaines. La base des MOF est liée à la capacité de manipuler la matière avec une précision auparavant connue uniquement dans la chimie moléculaire bien établie.

La cristallinité et la porosité de la charpente ont été entièrement préservées lors de la construction, conduisant au développement de "cristaux en tant que molécules". L'introduction de l'approche SBU a été un tournant qui a permis l'extension de la chimie de précision des complexes moléculaires et des polymères aux cadres 2D et 3D, concevoir des structures rationnelles à partir d'unités de construction fonctionnelles. Les progrès récents dans le domaine de la synthèse MOF confirment le potentiel de traduire les propriétés des unités fonctionnelles du bâtiment dans un cadre structurel. Ces propriétés incluent le caractère optique linéaire et non linéaire, magnétisme, conductivité et catalyse. Les progrès récents de la chimie computationnelle peuvent également aider à comprendre les propriétés des matériaux et à prédire les structures qui peuvent être construites avec le caractère ciblé.

La complexité et l'hétérogénéité peuvent être intégrées dans les MOF comme proposé récemment, d'explorer et d'analyser leur impact sur la structure et dans les propriétés qui en résultent, à l'avenir. La complexité et l'hétérogénéité permettent d'élargir encore le champ des structures, donnant accès à des matériaux à fort potentiel d'augmentation des performances. Le contrôle de la distribution spatiale des différentes fonctionnalités organiques et des ions métalliques peut conduire à la conception de séquences à l'intérieur ou le long du squelette MOF. Les arrangements spatiaux attendus peuvent être obtenus en intégrant plusieurs SBU avec des motifs de liaison spécifiques directement dans la formation du cadre pour un seul matériau, ou via des méthodes post-synthétiques. La réalisation de cette vision peut donner lieu à des matériaux spécifiques à la séquence conçus dans des MOF pour exécuter les fonctions prévues. L'introduction de la SBU marque un tournant dans le développement de la chimie MOF - et continuera à jouer un rôle clé dans leur développement futur pour accéder à de nouvelles structures, propriétés et applications.

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