Estruturas metal-orgânicas (MOFs) são materiais com poros de tamanho nano em suas estruturas cristalinas. Esses poros permitem que os MOFs capturem moléculas com tanta eficiência que agora são os principais candidatos em aplicações como captura de carbono e filtragem de água.

O desafio dos MOFs é sua estabilidade mecânica. Os materiais são vulneráveis ​​ao estresse físico e químico, o que pode afetar sua estrutura e, em última análise, A perfomance deles. Como muitos aplicativos MOF envolvem ciclos entre diferentes temperaturas, pressões variáveis, e outras moléculas químicas que exercem forças capilares, tornou-se fundamental para o campo que os MOFs apresentem estabilidade mecânica suficiente.

Agora, o laboratório de Berend Smit na EPFL Sion com Lev Sarkisov da Universidade de Edimburgo descobriram como as propriedades mecânicas dos MOFs se relacionam com sua estrutura, que há muito tem sido um obstáculo para otimizar a estabilidade dos materiais.

Para este estudo, os cientistas se concentraram em um tipo popular de MOFs chamado "estruturas de imidazolato zeolíticas, "que são usados ​​na captura de carbono, catálise, e até mesmo algumas estratégias de distribuição de medicamentos. A equipe desenvolveu um software que gera estruturas químicas para projetar um grande número desses MOFs com diferentes estruturas moleculares. Ao estudar estes, eles foram capazes de extrair princípios que conectam as propriedades mecânicas de um MOF à sua estrutura, bem como materiais de design com estabilidade mecânica aprimorada.

Os pesquisadores então "decoraram" as partes orgânicas dos MOFs com uma variedade de grupos funcionais, um termo que se refere a grupos de átomos que dão origem à molécula (neste caso, o MOF) propriedades características específicas. Esta parte do estudo mostrou que, dependendo da estrutura dos poros, os mesmos grupos funcionais podem endurecer a estrutura de um MOF e melhorar sua estabilidade mecânica, ou suavizá-lo e torná-lo instável.

A chave para os efeitos dos grupos funcionais está nas chamadas "interações não ligadas, "que ocorrem entre átomos sem ligação química. As interações não ligadas incluem as interações eletrostáticas e de Van der Waals - as últimas governam a formação de gotículas de água.

Os cientistas da EPFL descobriram que as interações não ligadas desempenham um papel importante na rigidez dos MOFs. Isso significa que grupos funcionais estrategicamente posicionados podem ajudar a ajustar a estabilidade mecânica de um MOF, introduzindo conectividade extra entre seus átomos por meio de interações não ligadas.

Os autores descrevem os grupos funcionais que ajudam a transportar a carga mecânica aplicada ao MOF como "cariátides químicas, "referindo-se às estátuas de mulheres que funcionavam como colunas de suporte para estruturas na Grécia antiga, mais famosas as do Erecteion na Acrópole de Atenas.

“A adição de um grupo funcional pode parecer uma decoração, mas se estiver estrategicamente posicionado, fornece um reforço essencial da estrutura do MOF, "diz Berend Smit" Em nosso laboratório, desenvolvemos o software que grupos experimentais podem usar para prever se a adição de diferentes grupos funcionais aumenta a estabilidade mecânica de seu material. "