Após sua descoberta há 25 anos, as estruturas metal-orgânicas (MOFs) rapidamente ganharam a aura de um "material milagroso" devido às suas propriedades particulares:suas grandes superfícies internas e tamanhos de poros ajustáveis ​​facilitam aplicações aprimoradas, por exemplo, na separação de materiais e armazenar.
Enquanto os representantes anteriores eram baseados principalmente em metais de transição como cobre e zinco, uma equipe do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) explorou partes mais exóticas da tabela periódica:eles investigaram compostos análogos com actinídeos como componente inorgânico. Dessa forma, estão ajudando, entre outras coisas, a promover o descarte seguro de materiais radioativos.

Os cientistas de Rossendorf lançaram assim as bases para estruturas que podem abrigar uma série de íons metálicos actinídeos como componente primário, ou seja, tório e urânio, bem como os transurânicos neptúnio e plutônio.

"A maioria desses elementos na última linha da tabela periódica são artificiais. Eles são o produto do bombardeio de nêutrons ou um subproduto em um reator nuclear. Neles, os humanos criaram substâncias extremamente perigosas porque são todos radioativos e, em alguns casos, altamente tóxicos", explica o Dr. Moritz Schmidt do Instituto de Ecologia de Recursos de HZDR.

"Isso também significa que todo o nosso trabalho experimental deve ser conduzido com medidas especiais de segurança. Nosso cavalo de batalha é a química de coordenação ou, em outras palavras, a criação de complexos metálicos com moléculas predominantemente orgânicas", diz a Dra. Juliane März, expandindo em segundo plano nas atividades da equipe.

Dentro da química de coordenação, as estruturas metal-orgânicas são um campo relativamente jovem. Os sólidos altamente porosos são compostos de metais ou aglomerados de metal-oxigênio que são conectados de forma modular por pilares de produtos químicos orgânicos, criando redes de cavidades flexíveis que lembram os poros de uma esponja de cozinha.

Inicialmente, a pesquisa se concentrou nos metais de transição. "Boas perspectivas para novas aplicações logo nos levaram a olhar para elementos com camadas de elétrons complexas - em primeiro lugar, os metais de terras raras e, finalmente, os actinídeos também. Mas, até agora, quase nada se sabe sobre elementos transurânicos que não ocorrem naturalmente , como neptúnio e plutônio", diz März, esboçando a cronologia.

Andaimes de alta simetria de blocos de construção molecular — aplicativos personalizados

Como pilar orgânico, eles usaram antraceno quimicamente modificado, um exemplo proeminente de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. "Sabemos que o antraceno cristalino é o melhor cintilador orgânico:quando a radiação rica em energia passa por essa substância, ela excita suas moléculas por processos de colisão. A energia de excitação é emitida na forma de luz azul. É por isso que nossas estruturas também são luminosas", Relatórios Schmidt. E eles exibem outra propriedade especial:a largura de seu bandgap, que é uma medida da diferença energética entre a banda de valência e a banda de condução.

"No caso de semicondutores em temperaturas muito baixas apenas a banda de valência tem portadores de carga; neste estado não é condutor. Quando a energia é aplicada, eles se movem para a banda de condução e assim desencadeiam um fluxo de corrente. new material is one of the so-called broadband semiconductors which play a role especially in power electronics and sensor technology. So, it might be usable as a detector for ionizing radiation—and the actinides we have built in deliver a constant internal radiation reference at the same time," Schmidt says.

Early investigations into MOFs by research groups worldwide synthesized representatives that exhibited ever larger inner surfaces and have therefore become alternatives to activated carbon and zeolites, for example in materials separation or catalytic processes. Their advantage is that their modular structure means that diverse network topologies can be implemented; moreover, the pore size can be very finely tuned by selecting an appropriate pillar for the intended application such as efficient adsorbents for a very specific chemical.

März and Schmidt have taken this a step further, adding a new facet with their work. They have identified applications in a field in which HZDR's Institute of Resource Ecology conducts research:the safe disposal of radioactive material. The researchers are thus considering the development of a tailored waste matrix that immobilizes actinides in the scaffold and fission products in its pores.

The research is published in Journal of the American Chemical Society and based on earlier work published in Coordination Chemistry Reviews . + Explorar mais

Going beyond Mother Nature's molecules to target radioactive metals