Le potentiel d'application des charpentes métallo-organiques a été découvert pour la première fois il y a environ 20 ans, et presque 100, 000 de ces matériaux poreux hybrides ont depuis été identifiés. Il y a de grands espoirs pour les applications techniques, en particulier pour les MOF flexibles. En tant qu'amortisseurs, par exemple, ils pourraient réagir à une pression élevée soudaine en fermant leurs pores et en perdant du volume, c'est-à-dire se déformant plastiquement. Ou ils pourraient séparer les substances chimiques les unes des autres comme une éponge en les absorbant dans leurs pores et en les libérant à nouveau sous pression. "Cela nécessiterait beaucoup moins d'énergie que le processus de distillation habituel, " explique Rochus Schmid. Cependant, seuls quelques MOF flexibles de ce type ont été identifiés à ce jour.

MOF sous pression

Afin d'aller au fond des mécanismes sous-jacents à ces matériaux, l'équipe de Munich a réalisé une analyse expérimentale plus détaillée d'un MOF déjà largement connu. À cette fin, les chercheurs l'ont soumis à une pression uniforme de tous les côtés, tout en observant ce qui se passe à l'intérieur grâce à l'analyse de structure aux rayons X.

"Nous voulions savoir comment le matériau se comporte sous pression et quels facteurs chimiques sont à l'origine des transitions de phase entre l'état à pores ouverts et à pores fermés, " dit Gregor Kieslich. L'expérience a montré que la forme à pores fermés n'est pas stable; sous pression, le système perd son ordre cristallin, bref :il tombe en panne.

Ce n'est pas le cas avec une variante de la même structure de base :si l'équipe a attaché des chaînes latérales flexibles d'atomes de carbone aux pièces de connexion organiques du MOF qui font saillie dans les pores, le matériau est resté intact lors de la compression et a repris sa forme d'origine lorsque la pression a diminué. Les bras en carbone ont transformé le matériau non flexible en un MOF flexible.

Le secret de la transformation de phase

L'équipe de Bochum a étudié les principes sous-jacents à l'aide de simulations de chimie informatique et de dynamique moléculaire. "Nous avons montré que le secret réside dans les degrés de liberté des chaînes latérales, la soi-disant entropie, " souligne Rochus Schmid. " Chaque système de la nature aspire à la plus grande entropie possible, pour le dire simplement, le plus grand nombre possible de degrés de liberté pour répartir l'énergie du système."

"Le grand nombre d'arrangements possibles des bras de carbone dans les pores garantit que la structure à pores ouverts du MOF est stabilisée de manière entropique, " Schmid poursuit. " Cela facilite une transformation de phase de la structure à pores ouverts à la structure à pores fermés et inversement, au lieu de se décomposer lorsque les pores sont serrés les uns contre les autres comme ce serait le cas sans les bras de carbone. l'équipe a développé un modèle théorique précis et numériquement efficace pour la simulation.

Le résultat clé de l'étude est l'identification d'une autre option chimique pour contrôler et modifier le comportement de réponse macroscopique d'un matériau intelligent par un facteur thermodynamique. "Nos résultats ouvrent de nouvelles voies pour réaliser spécifiquement des transformations de phase structurelle dans les MOF poreux, " conclut Gregor Kieslich.