A l'oeil nu, les cadres organiques métalliques (MOF) ressemblent un peu à du sable. Mais si vous zoomez, vous verrez que chaque grain ressemble et agit plus comme une éponge et sert un objectif similaire. Les MOF sont utilisés pour absorber et retenir les gaz, ce qui est utile lorsque vous essayez de filtrer les gaz toxiques de l'air ou comme moyen de stocker du carburant pour les moteurs fonctionnant au gaz naturel ou à l'hydrogène.

Une nouvelle recherche dirigée par une équipe interdisciplinaire de six universités examine le transfert de chaleur dans les MOF et le rôle qu'il joue lorsque les MOF sont utilisés pour stocker du carburant. Auteur correspondant Christopher Wilmer, William Kepler Whiteford Faculty Fellow et professeur adjoint de génie chimique et pétrolier à la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh, co-auteur du travail avec des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon, l'Université de Virginie, Université Old Dominion, Université du nord-ouest, et l'Institut de technologie de Karlsruhe à Karlsruhe, Allemagne. Les résultats ont été récemment publiés dans Communication Nature .

"L'un des défis de l'utilisation des MOF pour les réservoirs de carburant dans les voitures est que vous devez pouvoir faire le plein en quelques minutes ou moins, " explique Wilmer. " Malheureusement, lorsque vous remplissez rapidement ces réservoirs à base de MOF avec de l'hydrogène ou du gaz naturel, ils deviennent très chauds. Il ne s'agit pas tant d'un risque d'explosion - bien qu'il y en ait un - mais du fait qu'ils ne peuvent pas stocker beaucoup de gaz lorsqu'ils sont chauds. Le principe de leur utilisation pour stocker beaucoup de combustible gazeux ne fonctionne qu'à température ambiante. Pour d'autres applications industrielles, vous rencontrez un problème similaire :chaque fois que les gaz sont chargés rapidement, les MOF deviennent chauds et ne fonctionnent plus efficacement. »

En d'autres termes, pour que les MOF soient utiles pour ces applications, ils auraient besoin d'être conservés au frais. Cette recherche a porté sur le transport thermique dans les MOF, pour explorer à quelle vitesse ils peuvent évacuer l'excès de chaleur, et le groupe a trouvé des résultats surprenants.

"Quand vous prenez ces matériaux poreux, qui pour commencer sont thermiquement isolants, et tu les remplis de gaz, il semble qu'ils deviennent encore plus isolants. C'est surprenant parce qu'habituellement, les vides poches comme ceux en isolation ou les fenêtres à double vitrage assurent une bonne isolation thermique, " explique Wilmer. " En prenant des matériaux poreux et en les remplissant, supprimant ainsi ces lacunes, vous vous attendriez à ce que le transport thermique s'améliore, le rendant plus conducteur thermiquement. Le contraire se produit; ils deviennent plus isolants."

Pour arriver à leur conclusion, les chercheurs ont mené deux expériences simultanées en utilisant deux méthodes différentes et des MOF synthétisés dans deux laboratoires différents. Les deux groupes ont observé la même tendance :que les MOF deviennent plus isolés lorsqu'ils sont remplis d'adsorbats. Leurs résultats expérimentaux ont également été validés par des simulations atomistiques à Pitt en collaboration avec l'Université Carnegie Mellon.

"Notre travail indique des défis potentiels à venir pour l'utilisation des MOF en dehors des laboratoires de recherche, mais c'est une étape nécessaire dans le processus, " dit Alan McGaughey, professeur de génie mécanique à Carnegie Mellon. « Au fur et à mesure que ces matériaux progressent vers une large gamme, utilisation dans le monde réel, les chercheurs devront continuer à étudier les propriétés autrefois négligées de ces matériaux, comme le transport thermique, et trouver la meilleure façon de les utiliser pour répondre à nos besoins."