Nieuwe nanokristallen geven een kleine draai aan nuttige materialen

Een nieuw soort minuscuul deeltje is een groot probleem in het laboratorium van UO-chemicus Carl Brozek.

Hij en zijn team hebben een veelzijdig soort poreus materiaal, een metaal-organisch raamwerk, of MOF genoemd, tot nanokristallen gemaakt – een vorm die gemakkelijker te gebruiken is buiten het laboratorium. Nanodeeltjes zoals deze hebben een breed scala aan potentiële toepassingen, van oppervlaktecoatings die elektrische lading kunnen opslaan tot filters die verontreinigingen uit lucht of water verwijderen.

De nanokristallen zijn de kleinste en meest stabiele MOF’s die tot nu toe zijn gemaakt, zei Brozek. En ze hebben een reeks interessante eigenschappen – ze kunnen met name elektriciteit geleiden en ze gedragen zich anders, afhankelijk van de exacte grootte van het deeltje.

“Het voelt echt alsof we iets nieuws hebben ontdekt”, zei Brozek. Hij en zijn team, geleid door afgestudeerde student Checkers Marshall, meldden hun voorschot op 24 november in een pre-print die op de onderzoekssite ChemRxiv werd geplaatst.

MOF’s zijn sponsachtige materialen die bestaan ​​uit metaalionen, zoals ijzer of zink, aan elkaar gekoppeld met kleine op koolstof gebaseerde moleculen. Net als een gatenblok Zwitserse kaas hebben MOF’s zakken en spleten waardoor ze een extreem groot oppervlak hebben. Dat maakt ze bruikbaar voor toepassingen waarbij specifieke moleculen worden opgevangen, zoals koolstofdioxide uit de atmosfeer of lood in drinkwater, omdat er veel ruimte is voor die doelmoleculen om zich te hechten. En het zou bijzonder praktisch zijn om ze op nanoschaal te maken voor opschaling en industrieel gebruik, omdat de kleine deeltjes in een oplossing kunnen worden gesuspendeerd en vervolgens, zoals verf, kunnen worden gebruikt om een ​​oppervlak gelijkmatig te coaten.

Maar het maken van MOF’s als nanodeeltjes is een voortdurende uitdaging geweest, zei Brozek.

Dus zijn lab bedacht een oplossing. “Terwijl de MOF probeert te groeien, houden we het voor de gek”, zei hij.

MOF’s vormen zich via een reeks chemische reacties die metaalionen verbinden met linkermoleculen. Het team van Brozek voegde een derde ingrediënt toe: moleculen die de linkers nabootsen, maar die zich maar aan één kant ergens aan kunnen binden. Als randstukjes van een legpuzzel, fungeren ze als doodlopende wegen voor de groeiende MOF, zodat deze klein blijft.

“Een van de echt opwindende dingen van ons papier is dat we deze specifieke MOF niet alleen als een nanokristal hebben gemaakt, het is ook een van de kleinste MOF’s die ooit zijn gemaakt,” zei Brozek.

Deze nanodeeltjes, gemaakt van ijzertriazolaat, zijn aanpasbaar: ze gedragen zich anders bij verschillende groottes en zelfs bij verschillende temperaturen. Dat opent een scala aan mogelijkheden, zei Brozek – wetenschappers zouden de materialen kunnen “afstemmen” om zich op een bepaalde manier te gedragen, door de grootte van de nanodeeltjes of de temperatuur van de omgeving aan te passen. En ze zouden een vergelijkbare benadering kunnen gebruiken om andere MOF-nanokristallen te ontwerpen met verschillende combinaties van metaalionen en linkermoleculen.

“Het werk is op dit moment vrij fundamenteel”, zei Marshall. “Ik denk dat de belangrijkste dingen zijn dat we in staat zijn om deze nanodeeltjes te synthetiseren en dat ze grootte-afhankelijke eigenschappen vertonen die nog niet eerder zijn waargenomen. Deze twee ontwikkelingen zullen helpen bij het aanpassen van de manier waarop we MOF’s toepassen in bestaande apparaten en hun gebruik maken van hun grootte-afhankelijkheid in toekomstige technologieën.”

Brozek en zijn team onderzoeken al mogelijke toepassingen, zowel voor ijzertriazolaat-nanodeeltjes als voor andere variaties.

“Nu we van deze materialen een film kunnen maken, is er een reële mogelijkheid dat we membranen kunnen maken die nuttig zijn in de echte wereld,” zei Brozek. MOF-nanodeeltjes die een oppervlak bedekken, kunnen bijvoorbeeld koolstofdioxidemoleculen vastgrijpen die anders in de atmosfeer zouden vrijkomen. Of de deeltjes kunnen zo worden ontworpen dat ze aan verontreinigingen in water blijven kleven.

“Dit is slechts één MOF,” zei Brozek. “Er zullen veel laboratoria nodig zijn om dit hele nieuwe wetenschapsgebied te verkennen.”