A pesquisa da estrutura metal-orgânica de Sourav Saha foi destaque na capa da ACS Applied Materials &Interfaces em 18 de março, 2020. Crédito:Cortesia Sourav Saha
Estruturas metal-orgânicas (MOFs) são materiais multifuncionais emergentes que estão gradualmente encontrando seu caminho fora dos laboratórios de pesquisa e em uma miríade de aplicações do mundo real. Por exemplo, MOFs podem armazenar gases perigosos, catalisar reações químicas, entregar drogas de forma controlada, e pode até ser usado em baterias recarregáveis e células solares.
Uma equipe de pesquisadores do College of Science da Universidade de Clemson demonstrou recentemente que uma nova arquitetura MOF de dupla hélice, em uma forma parcialmente oxidada, pode conduzir eletricidade que potencialmente o torna um semicondutor de próxima geração.
As descobertas da equipe são descritas no artigo intitulado "O Advento da Condução Elétrica de Estruturas Metálicas Hélices Duplas Apresentando Ligantes de Tetratiafulvaleno Estendidos em Forma de Borboleta Rica em elétrons π, "que foi publicado em 18 de março, 2020, como artigo de capa em Materiais Aplicados e Interfaces , um jornal publicado pela American Chemical Society.
Os MOFs consistem em uma série de íons metálicos conectados por ligantes orgânicos. Atomicamente projetado com grande precisão, eles possuem unidades repetitivas altamente ordenadas que geralmente constituem estruturas porosas.
Desde que o primeiro MOF foi construído há mais de 20 anos, pesquisadores em todo o mundo criaram mais de 20, 000 MOFs diferentes feitos com uma variedade de metais e ligantes orgânicos.
De acordo com o professor associado de química Sourav Saha, a maioria dos MOFs existentes são feitos de ligantes lineares ou planos. Contudo, Saha e sua equipe introduziram um em forma de borboleta, ligante convexo em um MOF, que resultou em uma nova estrutura em hélice dupla capaz de conduzir eletricidade uma vez parcialmente oxidada por moléculas de iodo hóspedes.
"Este ligante de tetratiafulvaleno estendido em forma de borboleta (ExTTF) é conhecido na comunidade química há algum tempo, mas não tinha sido incorporado a um MOF antes, "Saha disse." Ao introduzi-lo em um MOF de dupla hélice, poderíamos criar caminhos exclusivos de transporte de carga em forma de S que correm ao longo das costuras dos fios vizinhos. Quando os ligantes ExTTF de um lado de cada fita helicoidal dupla são oxidados por iodo e os do outro lado permanecem neutros, eles formam cadeias de transferência de carga intermoleculares ao longo das costuras. Os elétrons podem fluir ao longo desta via de forma intermolecular, tornando o MOF mais condutivo. "
Pesquisadores de química da Clemson demonstraram recentemente uma nova estrutura MOF de dupla hélice capaz de conduzir eletricidade. Os membros da equipe são (da direita para a esquerda) os alunos de pós-graduação Paola Benavides e Monica Gordillo, membro do corpo docente Sourav Saha, e o pesquisador pós-doutorado Dillip Panda. Crédito:Clemson College of Science
A estudante de graduação em química Monica Gordillo no grupo de pesquisa do Dr. Saha sintetizou o MOF helicoidal duplo por meio de um método solvotérmico, misturando um sal de zinco e o ligante ExTTF em certa proporção. Ela então aqueceu a mistura em um forno a cerca de 65 graus Celsius por 24 horas.
"Temos esses lindos cristais laranja em forma de placa, "Disse Gordillo." Para conseguir este material emocionante, ajustamos as condições desta síntese, mudando a proporção de solventes, proporção de ligantes para os íons de metal (zinco) e a temperatura. "
Para criar uma via de transporte de carga capaz de conduzir eletricidade, ela difundiu o vapor de iodo no MOF poroso, fazendo com que uma fita se tornasse deficiente em elétrons enquanto a outra permanecia rica em elétrons.
MOFs condutores de eletricidade podem ter algumas vantagens sobre os semicondutores inorgânicos convencionais feitos de silício, gálio, ou arseneto, que são onipresentes em portas lógicas, chips de memória, e outras aplicações eletrônicas. Por exemplo, semicondutores convencionais são sintetizados em temperaturas entre 500 e 1, 000 graus Celsius.
"Por outro lado, MOFs podem ser feitos de uma forma mais eficiente em termos de energia do que semicondutores inorgânicos, "Saha disse." Eles podem ser sintetizados em qualquer lugar entre a temperatura ambiente e 150 graus Celsius, enquanto mantém a estrutura cristalina altamente ordenada que os semicondutores convencionais possuem. "
Saha e sua equipe planejam continuar a desenvolver novas arquiteturas MOF com geometrias diferentes, composições, e funções que podem ter aplicações em eletrônicos futuros e dispositivos de conversão e armazenamento de energia.
