Roadmap zum Auffinden neuer funktioneller poröser Materialien

Die Entdeckung neuer Strukturen ist vielversprechend für den Zugang zu fortschrittlichen Funktionsmaterialien in Energie- und Umweltanwendungen. Obwohl käfigbasierte poröse Materialien, metallorganische Polyeder (MOPs), als aufstrebende funktionelle Plattform für zahlreiche Anwendungen Aufmerksamkeit erregen, bleiben kaum vorhersagbare und scheinbar unkontrollierbare Packungsstrukturen eine offene Frage. Es besteht eine große Nachfrage nach einer Roadmap zum Entdecken und rationalen Entwerfen neuer MOP-Strukturen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Wonyoung Choe vom Department of Chemistry am Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Südkorea, hat einen großen Sprung nach vorne gemacht, indem es aufgezeigt hat, wie zukünftige Strukturen von MOPs vorhergesagt und auf molekularer Ebene entworfen werden können Stufe. Ihre Ergebnisse sollen ein neues Paradigma zur Beschleunigung der Materialentwicklung und Anwendung von MOPs schaffen.

Vor MOPs haben sich metallorganische Gerüste (MOFs), eine weitere bekannte Klasse poröser Materialien, schnell entwickelt. MOFs haben Ähnlichkeiten in der Zusammensetzung (dh Metallcluster und organische Liganden) mit MOPs. Die molekularen Bausteine ​​von MOFs sind jedoch auf ausgedehnte Weise verbunden, während diskrete Käfige aus Metallclustern und organischen Liganden durch schwache Wechselwirkungen in MOPs gepackt sind. Im Gegensatz zu MOPs wurden seit ihrer ersten Entdeckung Tausende von MOFs synthetisiert, und jetzt werden sie sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie zu immer wichtigeren Materialien. Eine wichtige treibende Kraft hinter dem phänomenalen Erfolg von MOFs sind ihre vorhersagbaren und gestaltbaren Strukturen mit einer großen Auswahl an molekularen Bausteinen. Durch die Berücksichtigung der molekularen Geometrie von Bausteinen können die möglichen Strukturen vorhergesagt und entworfen werden.

Bisher ging man davon aus, dass starke Bindungen zur Verbindung von Bausteinen notwendig sind, um Strukturen auf vorhersagbare Weise zu konstruieren. Da schwache oder ungerichtete Wechselwirkungen oft zu unvorhersehbaren Strukturen geführt haben, wurde das rationale Design von MOPs weniger beleuchtet. In dieser Studie entdeckte das Forschungsteam eine spezielle Art von MOPs, bei denen das Konstruktionsprinzip trotz des Fehlens starker Bindungen auf molekulare Packungssysteme angewendet werden kann. Die auf Zirkonium (Zr) basierenden MOPs sind bemerkenswerte Beispiele. Die Autoren enthüllten, dass mehrere schwächere Bindungen eine ähnliche Rolle spielen können wie starke Bindungen.

Zr-basierte MOPs sind eine aufstrebende Klasse von MOPs mit ihrer ausgezeichneten chemischen Stabilität. Während die Zr-MOPs im Wesentlichen käfigbasierte Verbindungen sind, treten auch bei Zr-MOPs Merkmale auf, die hauptsächlich in MOFs zu finden sind, wie z. B. ein robustes Gerüst und permanente Porosität. Die Autoren sagen, dass solche außergewöhnlichen dualen Eigenschaften sie motiviert haben, die Festkörperpackung von Zr-MOPs weiter zu untersuchen. In dieser Studie lieferten die Autoren nicht nur eine umfassende Untersuchung der bestehenden Strukturen, sondern entdeckten auch zukünftige Strukturen, die nicht beobachtet wurden, aber möglicherweise zugänglich sind. Ein grundlegendes Verständnis der nanoskaligen Selbstorganisation von Käfigen bietet Möglichkeiten zur Kontrolle der Packungsstruktur, Porosität und Eigenschaften. Die Autoren erwarteten, dass diese einzigartigen dualen Eigenschaften von Zr-MOPs zu vielen faszinierenden Anwendungen führen können, die mit typischen MOPs oder MOFs nicht zugänglich sind. Sie ermutigten auch, andere interessante Klassen von käfigbasierten Gerüsten zu finden.

„Die Entstehung neuer Strukturen würde eine neue Möglichkeit bieten, ihre Eigenschaften zu kontrollieren“, sagte Professor Wonyoung Choe. „Eine andere Perspektive auf käfigbasierte Gerüste einzunehmen, kann zu einer neuen Stufe funktioneller poröser Materialien führen.“

Die Ergebnisse dieser Forschung wurden als Perspektive in veröffentlicht Chemeine Schwesterzeitschrift zu Zelleam 10. März 2022.