p Uma classe de materiais chamada estruturas metálicas orgânicas, ou MOFs, tem atraído considerável interesse nos últimos anos para uma variedade de aplicações potenciais relacionadas à energia - especialmente desde que os pesquisadores descobriram que esses materiais isolantes típicos também poderiam ser feitos eletricamente condutores. p Graças à extraordinária combinação de porosidade e condutividade dos MOFs, esta descoberta abriu a possibilidade de novas aplicações em baterias, células de combustível, supercapacitores, eletrocatalisadores, e sensores químicos especializados. Mas o processo de desenvolvimento de materiais MOF específicos que possuem as características desejadas tem sido lento. Isso porque tem sido difícil descobrir sua estrutura molecular exata e como ela influencia as propriedades do material.

p Agora, pesquisadores do MIT e de outras instituições encontraram uma maneira de controlar o crescimento de cristais de vários tipos de MOFs. Isso possibilitou a produção de cristais grandes o suficiente para serem sondados por uma bateria de testes, permitindo que a equipe finalmente decodifique a estrutura desses materiais, que se assemelham às redes hexagonais bidimensionais de materiais como o grafeno.

p Os resultados são descritos hoje no jornal Materiais da Natureza , em um artigo de uma equipe de 20 no MIT e outras universidades nos EUA, China, e Suécia, liderado por W. M. Keck Professor de Energia Mircea Dincă do Departamento de Química do MIT.

p Como os MOFs condutores foram descobertos há alguns anos, Dincă diz, muitas equipes têm trabalhado para desenvolver versões para muitos aplicativos diferentes, “mas ninguém conseguiu obter uma estrutura do material com tantos detalhes”. Quanto melhor os detalhes dessas estruturas são compreendidos, ele diz, "ajuda a projetar materiais melhores, e muito mais rápido. E é isso que fizemos aqui:fornecemos a primeira estrutura cristalina detalhada em resolução atômica. "

p A dificuldade em cultivar cristais grandes o suficiente para tais estudos, ele diz, encontra-se nas ligações químicas dentro dos MOFs. Esses materiais consistem em uma rede de átomos de metal e moléculas orgânicas que tendem a se formar em cristais tortos como agulhas ou fios, porque as ligações químicas que conectam os átomos no plano de sua rede hexagonal são mais difíceis de formar e de quebrar. Em contraste, os laços na direção vertical são muito mais fracos e, portanto, continuam se rompendo e reformando em um ritmo mais rápido, fazendo com que as estruturas subam mais rápido do que podem se espalhar. Os cristais finos resultantes eram pequenos demais para serem caracterizados pela maioria das ferramentas disponíveis.

p A equipe resolveu esse problema alterando a estrutura molecular de um dos compostos orgânicos no MOF para que ele alterasse o equilíbrio da densidade de elétrons e a maneira como ele interage com o metal. Isso reverteu o desequilíbrio na força dos laços e nas taxas de crescimento, permitindo assim a formação de folhas de cristal muito maiores. Esses cristais maiores foram então analisados ​​usando uma bateria de técnicas de imagem baseadas em difração de alta resolução.

p Como foi o caso do grafeno, encontrar maneiras de produzir folhas maiores do material pode ser a chave para desvendar o potencial desse tipo de MOFs, Dincă diz. Inicialmente, o grafeno só poderia ser produzido usando fita adesiva para retirar camadas de um átomo de espessura de um bloco de grafite, mas, com o tempo, foram desenvolvidos métodos para produzir diretamente folhas grandes o suficiente para serem úteis. A esperança é que as técnicas desenvolvidas neste estudo possam ajudar a pavimentar o caminho para avanços semelhantes para MOFs, Dincă diz.

p "Isso é basicamente fornecer uma base e um projeto para fazer grandes cristais de MOFs bidimensionais, " ele diz.

p Tal como acontece com o grafeno, mas ao contrário da maioria dos outros materiais condutores, os MOFs condutores têm uma forte direcionalidade para sua condutividade elétrica:eles conduzem muito mais livremente ao longo do plano da folha de material do que na direção perpendicular.

p Está Propriedade, combinado com a porosidade muito alta do material, poderia torná-lo um forte candidato para ser usado como um material de eletrodo para baterias, células de combustível, ou supercondensadores. E quando seus componentes orgânicos têm certos grupos de átomos ligados a eles que se ligam a outros compostos específicos, eles podem ser usados ​​como detectores químicos muito sensíveis.

p O grafeno e um punhado de outros materiais 2-D conhecidos abriram uma ampla gama de pesquisas em aplicações potenciais em eletrônica e outros campos, mas esses materiais têm propriedades essencialmente fixas. Como os MOFs compartilham muitas das características desses materiais, mas formam uma ampla família de variações possíveis com propriedades variadas, eles devem permitir que os pesquisadores projetem os tipos específicos de materiais necessários para um determinado uso, Dincă diz.

p Para células de combustível, por exemplo, "você quer algo que tenha muitos locais ativos" para reatividade na grande área de superfície fornecida pela estrutura com sua treliça aberta, ele diz. Ou para um sensor monitorar os níveis de um determinado gás, como dióxido de carbono, "você quer algo que seja específico e não dê falsos positivos." Esses tipos de propriedades podem ser desenvolvidos por meio da seleção dos compostos orgânicos usados ​​para fazer os MOFs, ele diz. p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.