A maioria das pessoas não pensa em como as moléculas se encaixam nos espaços ultra-pequenos entre outras moléculas, mas é isso que a equipe de pesquisa do professor Masahide Takahashi pensa todos os dias na Universidade Metropolitana de Osaka. Eles estudam estruturas metal-orgânicas (MOFs), compostas por íons metálicos e moléculas (ligantes orgânicos) dispostos modularmente, formando um andaime. Os íons metálicos atuam como cantos conectados por ligantes orgânicos mais longos. Um MOF pode ser feito usando diferentes metais e ligantes orgânicos, para que possam ser projetados para propriedades químicas/físicas específicas, atraentes para revestimento de sensores em dispositivos ópticos e eletrônicos. Isso ocorre porque o andaime MOF deixa muito espaço interno aberto. Esses poros podem hospedar inúmeras moléculas convidadas que podem acessar a enorme área de superfície interna dos MOFs, o que os torna ideais para o desenvolvimento de materiais catalíticos, armazenamento de gás, separação de gás e remediação ambiental.
Ao usar um espectrômetro para medir o MOF e a absorção de moléculas convidadas de dois tipos de luz infravermelha polarizados de forma diferente, o método da equipe de pesquisa é o primeiro a medir as interações hóspede-hóspede e hóspede-hospedeiro e fazê-lo em tempo real. A espectroscopia de infravermelho é comumente usada em laboratórios e as adições necessárias para a polarização da luz usam materiais mínimos, incluindo componentes impressos em 3D facilmente replicáveis. Isso representa um grande avanço no estudo MOF, tornando-o muito mais acessível em comparação com a difração de raios-X ou espectroscopia de ressonância magnética nuclear de estado sólido anteriormente usada.

Uma propriedade única dos MOFs é que eles podem alterar sua condutividade e fotoluminescência aumentando ou diminuindo o número de moléculas hóspedes hospedadas em seus poros. Quando bem empacotadas, as moléculas convidadas podem se alinhar, criando diferenças dependentes da direção para absorção de luz e resistência elétrica. Os pesquisadores cunharam esse fenômeno como o efeito "lata de sardinha" porque as moléculas nos gases nem sempre são redondas, as moléculas de gás de formas diferentes geralmente agem como "sardinhas" quando confinadas em uma "lata" nanopore. Quando moléculas longas são adicionadas, elas colidem umas com as outras até ficarem lado a lado, embaladas de forma eficiente e apontando na mesma direção, assim como as sardinhas.

Se você acender uma luz pela lateral de uma lata de sardinha transparente, poderá ter uma boa ideia sobre a direção em que as sardinhas foram alinhadas com base em suas sombras. No entanto, os filmes MOF e as moléculas convidadas são muito pequenos para projetar sombras, então os pesquisadores usaram um recurso diferente da luz:polarização. Os pesquisadores usaram luz infravermelha em duas polarizações e mediram a absorbância da molécula convidada para cada polarização separadamente. À medida que a pressão parcial do gás no filme MOF foi aumentada, as moléculas hóspedes começaram a se alinhar, aumentando a absorbância de uma polarização.

Isso permitiu que os pesquisadores encontrassem a pressão parcial onde as moléculas hospedeiras se alinhavam e como elas interagiam em diferentes pressões. As ligações moleculares entre diferentes átomos absorvem comprimentos de onda específicos da luz infravermelha. Ao comparar quais dos comprimentos de onda polarizados foram absorvidos, os pesquisadores puderam determinar a direção que as moléculas no filme MOF estavam apontando. Em pressões mais altas, quando os poros do MOF estavam cheios, eles também descobriram defeitos que começaram a aparecer no andaime do MOF devido à presença das moléculas hóspedes. Quando as moléculas convidadas foram removidas, os defeitos reverteram, dando a primeira observação clara das interações entre as moléculas convidadas e hospedeiras no MOF.

Esses resultados, publicados na Angewandte Chemie International Edition , são apenas o começo, pois esta técnica pode ser usada para estudar diferentes filmes MOF e interações de moléculas convidadas em tempo real. Essa nova fronteira da ciência dos materiais tem o potencial de resolver muitos desafios futuros das humanidades. "Esses resultados esclarecem como as moléculas entram nos nanoporos e como elas são alinhadas. Com base nessa técnica, podemos esperar desenvolver materiais porosos de alto desempenho", concluiu a Dra. Bettina Baumgartner. + Explorar mais

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