Les structures métal-organiques sont formées par l'assemblage d'une grande variété de nœuds inorganiques et de ligands organiques multitopiques. Crédit :HIMS
Dans une étude qui vient d'être publiée dans la célèbre revue Matériaux fonctionnels avancés , une équipe de chercheurs américains et néerlandais présente des stratégies de conception pour ajuster le comportement de dilatation thermique des structures métal-organiques (MOF) microporeuses. En particulier, la capacité de réaliser des coefficients de dilatation thermique négatifs est d'une grande importance pour l'application potentielle des MOF, par exemple aux interfaces de matériaux où ils pourraient empêcher la fissuration et le pelage. Le Dr David Dubbeldam et le Dr Jurn Heinen de l'Institut Van 't Hoff des sciences moléculaires (HIMS) de l'Université d'Amsterdam ont contribué à la recherche, qui comprenait à la fois des travaux expérimentaux et une simulation informatique.
Dans la matière condensée, une augmentation de la température entraîne généralement une augmentation du volume. Dans les applications où les matériaux sont placés dans des environnements confinés, ce phénomène de dilatation thermique positive (PTE) peut provoquer des contraintes importantes voire une défaillance catastrophique de l'appareil. Aux interfaces de matériaux dans les revêtements ou les films, une inadéquation des propriétés de dilatation thermique peut entraîner des fissures et un pelage. La disponibilité de matériaux avec un comportement de dilatation thermique adapté atténuerait ces problèmes et serait d'une valeur significative pour une variété d'autres défis de conception et d'ingénierie de matériaux.
Les MOF en tant que classe émergente de matériaux à dilatation thermique négative
Les charpentes métallo-organiques (MOF) devraient présenter une dilatation thermique négative (NTE) généralisée, en partie à cause de leur nano-porosité et de leurs caractéristiques de structure flexible. Ils sont particulièrement intéressants en tant que matériaux NTE car ils offrent une grande flexibilité de conception, une caractéristique qui les distingue des matériaux zéolithiques NTE. Les MOF sont formés par l'assemblage d'une grande variété de nœuds inorganiques et de ligands organiques multitopiques. Ces derniers permettent également un plus grand degré de flexibilité structurelle, ce qui peut favoriser davantage leur potentiel de présentation de NTE à grande échelle.
Vue d'ensemble des stratégies de conception pour le contrôle de la dilatation thermique dans les cadres organo-métalliques nanoporeux. a :Modification de l'encombrement stérique du ligand. b :Modification de l'identité du métal dans l'amas inorganique. c :Modification de la topologie du framework. d :Varier les espèces invitées. e :Modification de la longueur du ligand. Crédit :HIMS / Advanced Functional Materials
Stratégies de conception pour adapter la dilatation thermique dans les MOF microporeux
Les stratégies de conception MOF maintenant publiées dans Matériaux fonctionnels avancés sont le résultat d'un effort collaboratif américano-néerlandais où la recherche expérimentale à Sandia Labs (Livermore, Californie, États-Unis) et Georgia Tech (Atlanta, Géorgie, U.S.) a été soutenu par des simulations informatiques réalisées par le Dr Jurn Heinen et le Dr David Dubbeldam du groupe Computational Chemistry du Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (Amsterdam, les Pays-Bas). Heinen a également rejoint l'auteur principal Nicholas Burtch (Sandia) pour collecter des données de diffraction du rayonnement synchrotron sur de nombreux échantillons de MOF à la source avancée de photons (APS) du laboratoire national d'Argonne (Lemont, Illinois, NOUS.).
En variant indépendamment le métal, ligand, topologie, et espèces invitées, les chercheurs ont établi comment les caractéristiques de dilatation thermique du MOF peuvent être ajustées dans le sens positif ou négatif. Ils présentent diverses stratégies de conception pour adapter le comportement de dilatation thermique du MOF en faisant varier leurs propriétés structurelles et l'environnement de l'invité, comme résumé dans la figure ci-dessous.
Les chercheurs publient également un guide de sélection concis pour les matériaux NTE isotropes basé sur les valeurs moyennes du coefficient de dilatation thermique signalées pour les matériaux sélectionnés sur diverses plages de température. Selon l'application cible, Les MOF peuvent offrir des avantages par rapport aux classes de matériaux traditionnelles qui incluent une plage étendue sur laquelle NTE est exposé, produit chimique amélioré, mécanique, et les propriétés de stabilité thermique et, en raison de leur porosité, l'exploitation de l'environnement invité comme stratégie de contrôle de la dilatation thermique. Un grand espace de conception peut être couvert par une caractérisation plus poussée des milliers de MOF qui ont déjà été synthétisés et rapportés dans la littérature. Cependant, avant de devenir utile dans les applications de matériaux composites, des études doivent être menées sur la façon dont la dilatation thermique négative à l'échelle nanométrique (cristallographique) trouvée dans les MOF se traduit par une réduction du coefficient de dilatation thermique à l'échelle macroscopique (en vrac).
Plus généralement, une compréhension fondamentale de la dilatation thermique MOF est cruciale pour faire progresser leur utilisation dans un large éventail d'applications potentielles qui incluent les monolithes revêtus, capteurs microcantilever, et appareils électroniques. Dans chacun de ces scénarios, des changements de température se produiront, et une inadéquation du coefficient moyen de dilatation thermique du MOF et de son matériau de substrat produira des contraintes résiduelles pouvant conduire à un comportement de fissuration et de pelage ou compromettre l'adhérence entre le MOF et sa couche interfacée.
