MOFs - ou estruturas metal-orgânicas - são sólidos de rede porosa altamente personalizáveis ​​com gaiolas que podem vir em vários tamanhos e podem atrair e reter uma variedade de componentes químicos, como dióxido de carbono, metano, e gases de hidrogênio. E é essa especificidade versátil que dá aos MOFs tanto potencial para aplicações em baterias de próxima geração e captura de carbono, entre uma lista crescente. Apesar de seus muitos traços positivos, seu aberto, A estrutura porosa - que retém os elétrons - não é ideal para aplicações que exigem que os elétrons fluam livremente com os íons (partículas carregadas) através de um dispositivo para criar uma corrente elétrica.

Agora, uma equipe liderada por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) e da UC Berkeley desenvolveu uma técnica para fazer um MOF eletricamente condutor que também pode ser usado para melhorar a condutividade de outros MOFs. O trabalho foi relatado em Materiais da Natureza .

Para contornar a condutividade elétrica inerentemente baixa dos MOFs, os pesquisadores adicionaram uma mistura química de potássio a um ferro benzenodipirazolato (BDP) MOF. Os elétrons extras produzidos durante essa reação podem então entrar no centro de ferro do MOF e conduzir eletricidade saltando ao longo do comprimento de um eixo de cristal dos cristais em forma de bastão. O centro de ferro atua como um fio capaz de conduzir eletricidade.

A maioria dos MOFs se degradam quando expostos ao potássio, mas o BDP MOF de ferro apresenta canais triangulares robustos que resistiram durante uma série de testes em que cada reação aumentou a contagem de elétrons do material até que a condutividade máxima para esse material fosse alcançada, resultando em um MOF que conduz eletricidade até 10, 000 vezes melhor do que antes de sofrer as reações de potássio. "É incrível que esta arquitetura, uma vez incorporado a um dispositivo semelhante a um transistor de tamanho mícron, nos permitiu medir a contagem de elétrons à medida que aumentava com cada reação de potássio sucessiva, "disse Jeffrey Long, cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de química e engenharia química e biomolecular da UC Berkeley, que atuou como autor principal do estudo.

Outro desafio neste estudo foi aumentar os MOFs para que seus átomos fiquem primeiro perfeitamente alinhados - elétrons precisam viajar em um caminho reto para gerar eletricidade - e então conectar esses dispositivos de tamanho mícron para medir sua condutividade. "Isso foi incrivelmente difícil de fazer, "disse Long." Não fomos capazes de cultivar cristais muito grandes deste MOF, e o tamanho e a forma em que os cristais crescem tornavam difícil prendê-los a um dispositivo. Mas encontramos uma maneira de contornar isso. "

Trabalhando com o laboratório de Peidong Yang, um cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de química e ciência de materiais e engenharia da UC Berkeley, os pesquisadores colocaram contatos de platina em cada lado do cristal MOF, que têm apenas 10 mícrons de comprimento - o comprimento de duas células vermelhas do sangue alinhadas lado a lado. O MOF recém-criado é uma continuação do trabalho relatado pela primeira vez pelo laboratório de Long em 2009.

"Este MOF não tem apenas uma condutividade elétrica realmente alta, mas sua corrente de ferro no centro pode ser traduzida para outros MOFs com bastante facilidade, sem perder muita condutividade, "disse Michael Aubrey, um ex-aluno de pós-graduação pesquisador no grupo Long da UC Berkeley que agora é um pesquisador de pós-doutorado na Stanford University.

Simulações da estrutura eletrônica dos MOFs foram conduzidas por Jeff Neaton, diretor da Fundição Molecular do Berkeley Lab, uma instalação de usuário do DOE Office of Science especializada em pesquisa em nanociência. O trabalho de difração foi realizado na Advanced Photon Source no Argonne National Laboratory.

Esta demonstração inicial de um MOF 3-D altamente condutivo pode ser um bom presságio para seu uso futuro como um material multiuso para baterias, supercapacitadores, e células de combustível. Também pode ser incorporado em materiais compostos existentes para transformá-los em condutores porosos. E porque os componentes orgânicos do MOF com redução de potássio são alternáveis ​​sem comprometer a estabilidade ou a mobilidade do elétron, também pode ser usado para fazer diferentes compostos para catalisadores e eletrólitos.

E o futuro para os MOFs pode ser ainda mais brilhante, à medida que os pesquisadores olham para frente para "impulsionar ainda mais as condutividades, "Long disse." Se pudermos ter este nível de condutividade em um material onde os elétrons estão se movendo em uma dimensão, gostaríamos de um dia criar MOFs que tenham elétrons móveis em duas ou três dimensões, "que expandiria seu potencial para aplicações eletrônicas e de bateria.