Em um estudo recém-publicado na renomada revista Materiais Funcionais Avançados , uma equipe de pesquisadores americanos e holandeses apresenta estratégias de projeto para ajustar o comportamento de expansão térmica de estruturas metálicas orgânicas microporosas (MOFs). Em particular, a capacidade de obter coeficientes de expansão térmica negativos é de grande relevância para a aplicação potencial de MOFs - por exemplo, em interfaces de materiais onde eles podem evitar rachaduras e descascamento. O Dr. David Dubbeldam e o Dr. Jurn Heinen do Instituto Van 't Hoff de Ciências Moleculares (HIMS) da Universidade de Amsterdã contribuíram para a pesquisa, que incluiu trabalho experimental e simulação de computador.

Na matéria condensada, um aumento na temperatura geralmente leva a um aumento no volume. Em aplicações onde os materiais são colocados em ambientes confinados, este fenômeno de expansão térmica positiva (PTE) pode causar estresse significativo ou mesmo falha catastrófica do dispositivo. Em interfaces de materiais em revestimentos ou filmes, uma incompatibilidade nas propriedades de expansão térmica pode levar a rachaduras e descascamento. A disponibilidade de materiais com comportamento de expansão térmica sob medida mitigaria esses problemas e seria de valor significativo para uma variedade de outros desafios de projeto e engenharia de materiais.

MOFs como uma classe emergente de materiais com expansão térmica negativa

Prevê-se que estruturas metal-orgânicas (MOFs) exibam expansão térmica negativa generalizada (NTE), devido em parte às suas características de nanoporosidade e estrutura flexível. Eles são particularmente intrigantes como materiais NTE, pois oferecem grande flexibilidade de design - uma característica que os distingue dos materiais zeólitos NTE. MOFs são formados pela montagem de uma grande variedade de nós inorgânicos e ligantes orgânicos multitópicos. O último também permite um maior grau de flexibilidade estrutural que pode promover ainda mais seu potencial para exibir NTE em grande escala.

Estratégias de projeto para adaptar a expansão térmica em MOFs microporosos

As estratégias de design do MOF agora publicadas em Materiais Funcionais Avançados são o resultado de um esforço colaborativo americano / holandês onde a pesquisa experimental no Sandia Labs (Livermore, Califórnia, EUA) e Georgia Tech (Atlanta, Geórgia, EUA) foi apoiado por simulações de computador realizadas pelo Dr. Jurn Heinen e Dr. David Dubbeldam do grupo de Química Computacional do Instituto Van 't Hoff de Ciências Moleculares (Amsterdã, Os Países Baixos). Heinen também se juntou ao autor principal Nicholas Burtch (Sandia) na coleta de dados de difração de radiação síncrotron em muitas amostras de MOF na Advanced Photon Source (APS) no Argonne National Laboratory (Lemont, Illinois, NÓS.).

Variando independentemente o metal, ligando, topologia, e espécies convidadas, os pesquisadores estabeleceram como as características de expansão térmica do MOF podem ser ajustadas na direção positiva ou negativa. Eles apresentam várias estratégias de design para adaptar o comportamento de expansão térmica do MOF, variando suas propriedades estruturais e ambiente convidado, conforme resumido na figura abaixo.

Os pesquisadores também publicam um guia de seleção conciso para materiais NTE isotrópicos com base em valores médios do coeficiente de expansão térmica relatado para materiais selecionados em várias faixas de temperatura. Dependendo do aplicativo de destino, Os MOFs podem oferecer vantagens sobre as classes de materiais tradicionais, que incluem uma ampla gama de exibição de NTE, química melhorada, mecânico, e propriedades de estabilidade térmica e, devido a sua porosidade, a exploração do ambiente convidado como estratégia de controle da expansão térmica. Um grande espaço de design pode ser coberto por meio de caracterização adicional dos milhares de MOFs que já foram sintetizados e relatados na literatura. Contudo, antes de se tornar útil em aplicações de materiais compostos, estudos devem ser realizados sobre como a expansão térmica negativa nanoescala (cristalográfica) encontrada em MOFs se traduz em uma redução do coeficiente de expansão térmica na escala macroscópica (volume).

De forma geral, uma compreensão fundamental da expansão térmica do MOF é crucial para o avanço de seu uso em uma ampla gama de aplicações potenciais que incluem monólitos revestidos, sensores de microcantilever, e dispositivos eletrônicos. Em cada um desses cenários, mudanças na temperatura irão surgir, e uma incompatibilidade no coeficiente médio de expansão térmica do MOF e seu material de substrato produzirá tensões residuais que podem levar a rachaduras e comportamento de descascamento ou comprometer a adesão entre o MOF e sua camada interfaceada.