La microscopie électronique à transmission haute résolution à faible dose permet d'identifier diverses structures défectueuses dans un matériau de charpente métal-organique et révèle leurs rôles importants dans les applications catalytiques. Crédit :KAUST/Xavier Pita
Les cristaux parfaits ne sont pas forcément les plus utiles. Des défauts dans la structure cristalline ordonnée des charpentes métallo-organiques (MOF) pourraient adapter ces matériaux polyvalents à des applications spécifiques. Les chercheurs du KAUST ont déjà développé une méthode pionnière pour imager les défauts en utilisant la microscopie électronique à transmission. Ils signalent maintenant que la création de défauts spécifiques, les visualiser, et l'étude de leurs effets chimiques amène l'exploration des MOF à de nouveaux niveaux de détail et de contrôle.
Les MOF contiennent des amas métalliques régulièrement espacés reliés par des groupes de liaison organiques à base de carbone. La variation des métaux dans les clusters et la structure des lieurs crée une grande diversité de MOF avec des réseaux de pores variables et des propriétés chimiques différentes. Deux des principales applications pour lesquelles les MOF sont développés sont leur utilisation en tant que catalyseurs et en tant que matériaux d'adsorption et de séparation de gaz hautement sélectifs.
Les MOF sont l'un des domaines les plus en vogue de la recherche chimique, et les scientifiques de KAUST travaillent dur pour rester à l'avant-garde. La dernière avancée s'appuie sur un long record de découvertes et a impliqué trois centres de recherche KAUST, les laboratoires et collaborateurs KAUST Core en Chine et au Royaume-Uni.
"La plus grande surprise que nous révélons est qu'il existe des défauts divers dans presque tous les MOF, même ceux qui étaient auparavant considérés comme parfaits, " dit le chercheur, Yu Han du KAUST Advanced Membranes and Porous Materials Center.
Han explique que l'étude des défauts est difficile car les cristaux MOF sont fragiles et facilement endommagés par les faisceaux d'électrons utilisés en microscopie électronique conventionnelle. L'équipe KAUST a surmonté ce problème en utilisant une caméra de comptage d'électrons très sensible, combiné avec une suite de méthodes de traitement d'image spécialement conçues.
(En haut) Image MET haute résolution traitée (en haut), montrant la coexistence de diverses structures défectueuses dans MOF UiO-66. (En bas) Modèles cristallographiques de trois types de défauts identifiés dans MOF UiO-66. Crédit :KAUST
Cette nouvelle capacité à scruter directement un MOF à un niveau de résolution élevé révèle que deux types de défauts peuvent coexister, en raison des amas métalliques manquants et des linkers manquants. "De tels détails ne pouvaient pas être vus avant notre travail, " dit Han.
Les chercheurs ont également exploré la création de défauts dans les MOF avec un traitement chimique et le suivi de l'évolution de la configuration des défauts. Cela démontre le potentiel d'affiner les défauts pour manipuler les propriétés chimiques d'un MOF.
L'équipe KAUST a démontré la puissance de cette stratégie en découvrant qu'un MOF spécifique avec des défauts de cluster manquants est plus catalytiquement actif qu'un avec des défauts de lieur manquants.
Les chercheurs travaillent maintenant à affiner davantage leur technique d'imagerie et à l'appliquer à des cristaux plus gros. "Nous espérons divulguer plus d'inconnues sur les MOF afin d'optimiser leurs applications, " dit Han.
