Comment l'eau laisse-t-elle une éponge ?

Dans une nouvelle étude, les scientifiques répondent à cette question en détail pour un poreux, matériau cristallin fabriqué à partir de blocs de construction métalliques et organiques, en particulier, sulfate de cobalt(II) heptahydraté, acide 5-aminoisophtalique et 4, 4'-bipyridine.

En utilisant des techniques avancées, les chercheurs ont étudié comment cette éponge cristalline changeait de forme lorsqu'elle passait d'un état hydraté à un état déshydraté. Les observations étaient élaborées, permettant à l'équipe de « voir » quand et comment trois molécules d'eau individuelles ont quitté le matériau en séchant.

Les éponges cristallines de ce type appartiennent à une classe de matériaux appelés charpentes métallo-organiques (MOF), qui recèlent un potentiel d'applications telles que le piégeage de polluants ou le stockage de carburant à basse pression.

"C'était vraiment sympa, exemple détaillé d'utilisation de la diffraction dynamique des rayons X in-situ pour étudier la transformation d'un cristal MOF, " dit Jason Benedict, Doctorat., professeur agrégé de chimie à l'Université du Buffalo College of Arts and Sciences. "Nous initions une réaction - une déshydratation. Ensuite, nous la surveillons avec des rayons X, résolution de structures cristallines, et nous pouvons réellement observer comment ce matériau se transforme de la phase complètement hydratée à la phase complètement déshydratée.

"Dans ce cas, le cristal hydraté contient trois molécules d'eau indépendantes, et la question était essentiellement, comment passe-t-on de trois à zéro ? Ces molécules d'eau partent-elles une à une ? Partent-ils tous en même temps ?

"Et nous avons découvert que ce qui se passe, c'est qu'une molécule d'eau part très rapidement, ce qui provoque la compression et la torsion du réseau cristallin, et les deux autres molécules finissent par partir ensemble. Ils fuient en même temps, et cela provoque le détorsion du treillis mais reste comprimé. Tout ce mouvement que je décris, vous n'auriez aucune idée de ce genre de mouvement en l'absence de ce genre d'expériences que nous effectuons. »

La recherche a été publiée en ligne le 23 juin dans la revue Dynamique structurelle . Benedict a dirigé l'étude avec les premiers auteurs Ian M. Walton et Jordan M. Cox, Doctorat en chimie de l'UB diplômés. D'autres scientifiques de l'UB et de l'Université de Chicago ont également contribué au projet.

Comprendre comment les structures des MOF se transforment - étape par étape - au cours de processus tels que la déshydratation est intéressant du point de vue de la science fondamentale, dit Benoît. Mais une telle connaissance pourrait également aider les efforts pour concevoir de nouvelles éponges cristallines. Comme l'explique Benoît, plus les chercheurs peuvent en apprendre davantage sur les propriétés de ces matériaux, plus il sera facile de créer de nouveaux MOF adaptés à des tâches spécifiques.

La technique que l'équipe a développée et utilisée pour étudier la transformation du cristal fournit aux scientifiques un outil puissant pour faire avancer la recherche de ce type.

"Les scientifiques étudient souvent les cristaux dynamiques dans un environnement statique, " dit le co-auteur Travis Mitchell, un doctorat en chimie étudiant dans le laboratoire de Benedict. "Cela limite considérablement la portée de leurs observations avant et après le déroulement d'un processus particulier. Nos résultats montrent que l'observation de cristaux dynamiques dans un environnement également dynamique permet aux scientifiques de faire des observations pendant qu'un processus particulier se déroule. Notre groupe a développé un dispositif qui nous permet de contrôler l'environnement par rapport au cristal :nous sommes capables de faire circuler en continu du fluide autour du cristal pendant que nous collectons des données, qui nous fournit des informations sur comment et pourquoi ces cristaux dynamiques se transforment."

L'étude a été soutenue par la National Science Foundation (NSF) et le département américain de l'Énergie, notamment via l'installation ChemMatCARS de la NSF, où une grande partie du travail expérimental a eu lieu.

"Ces types d'expériences prennent souvent des jours à réaliser sur un diffractomètre de laboratoire, " dit Mitchell. "Heureusement, notre groupe a pu réaliser ces expériences en utilisant le rayonnement synchrotron au ChemMatCARS de la NSF. Avec le rayonnement synchrotron, nous avons pu faire des mesures en quelques heures."