Les structures métallo-organiques (MOF) sont des matériaux multifonctionnels émergents qui sortent progressivement des laboratoires de recherche pour entrer dans une myriade d'applications dans le monde réel. Par exemple, Les MOF peuvent stocker des gaz dangereux, catalyser des réactions chimiques, livrer des médicaments de manière contrôlée, et peut même être utilisé dans les batteries rechargeables et les cellules solaires.

Une équipe de chercheurs du Collège des sciences de l'Université de Clemson a récemment démontré qu'une nouvelle architecture MOF à double hélice, sous une forme partiellement oxydée, peut conduire l'électricité qui en fait potentiellement un semi-conducteur de nouvelle génération.

Les découvertes de l'équipe sont décrites dans l'article intitulé « L'avènement des structures métalliques organiques à double hélice conductrices d'électricité avec des ligands tétrathiafulvalène étendus en forme de papillon, riches en électrons, " qui a été publié le 18 mars, 2020, comme l'article de couverture dans Matériaux appliqués et interfaces , une revue publiée par l'American Chemical Society.

Les MOF sont constitués d'un réseau d'ions métalliques reliés par des ligands organiques. Conçu de manière atomique avec une grande précision, ils possèdent des unités répétitives très ordonnées qui constituent généralement des structures poreuses.

Depuis la construction du premier MOF il y a plus de 20 ans, les chercheurs du monde entier ont créé plus de 20, 000 MOF différents fabriqués avec une variété de métaux et de ligands organiques.

Selon le professeur agrégé de chimie Sourav Saha, la plupart des MOF existants sont constitués de ligands linéaires ou planaires. Cependant, Saha et son équipe ont présenté un papillon en forme de ligand convexe dans un MOF, qui a abouti à une nouvelle structure à double hélice capable de conduire l'électricité une fois partiellement oxydée par des molécules d'iode invitées.

"Ce ligand tétrathiafulvalène étendu en forme de papillon (ExTTF) est connu de la communauté de la chimie depuis un certain temps, mais il n'avait jamais été intégré à un MOF auparavant, " dit Saha. " En l'introduisant dans un MOF à double hélice, nous pourrions créer des voies de transport de charges uniques en forme de S qui longent les coutures des brins voisins. Lorsque les ligands ExTTF d'un côté de chaque double brin hélicoïdal sont oxydés par l'iode et que ceux de l'autre restent neutres, ils forment des chaînes de transfert de charge intermoléculaires le long des coutures. Les électrons peuvent circuler le long de cette voie de manière intermoléculaire, rendant le MOF plus conducteur."

L'étudiante diplômée en chimie Monica Gordillo dans le groupe de recherche du Dr Saha a synthétisé le MOF à double hélice via une méthode solvothermique, en mélangeant un sel de zinc et le ligand ExTTF dans une certaine proportion. Elle a ensuite chauffé le mélange dans un four à environ 65 degrés Celsius pendant 24 heures.

"Nous avons ces beaux cristaux orange en forme de plaque, " Gordillo a déclaré. "Pour réaliser ce matériau passionnant, nous avons ajusté les conditions de cette synthèse, changer le rapport des solvants, rapport des ligands aux ions métalliques (zinc) et à la température."

Pour créer une voie de transport de charge capable de conduire l'électricité, elle diffuse de la vapeur d'iode dans le MOF poreux, amenant un brin à devenir déficient en électrons tandis que l'autre est resté riche en électrons.

Les MOF électriquement conducteurs peuvent présenter certains avantages par rapport aux semi-conducteurs inorganiques conventionnels fabriqués à partir de silicium, gallium, ou arséniure, qui sont omniprésents dans les portes logiques, puces mémoire, et d'autres applications électroniques. Par exemple, les semi-conducteurs conventionnels sont synthétisés à des températures comprises entre 500 et 1, 000 degrés Celsius.

"D'autre part, Les MOF peuvent être fabriqués de manière plus économe en énergie que les semi-conducteurs inorganiques, " a déclaré Saha. "Ils peuvent être synthétisés n'importe où entre la température ambiante et 150 degrés Celsius, tout en maintenant la structure cristalline hautement ordonnée des semi-conducteurs conventionnels."

Saha et son équipe prévoient de continuer à développer de nouvelles architectures MOF avec différentes géométries, composition, et des fonctions qui peuvent avoir des applications dans les futurs appareils électroniques et de conversion et de stockage d'énergie.