17 nov 2023 (Nanowerk-schijnwerper) De afgelopen decennia hebben wetenschappers ontdekt dat het combineren van meerdere metaalelementen in één materiaal aanleiding kan geven tot buitengewone nieuwe eigenschappen en functies. Gespecialiseerde staallegeringen gemaakt van ijzer en nauwkeurige mengsels van andere metalen hebben bijvoorbeeld staalsoorten opgeleverd die zowel extreem licht als sterk zijn. Deze “multi-metalen” mengbenadering is veelbelovend gebleken in de materiaalkunde, waardoor onderzoekers de mogelijkheid hebben om eigenschappen te verfijnen door verschillende metalen op kunstzinnige wijze met elkaar te vermengen. Maar hoewel het potentieel duidelijk was, is het realiseren ervan enorm moeilijk gebleken in een snelgroeiende klasse van materialen genaamd metaal-organische kaders (MOF's). MOF's zijn een soort 'kristalspons' die wordt gemaakt door metalen met organische moleculen te verbinden om open, poreuze structuren te vormen. Hun aanpasbare, sponsachtige aard maakt MOF’s aantrekkelijk voor veel geavanceerde toepassingen, van energieopslag tot chemische detectie. Het probleem was dat MOF's erg lastig te maken zijn uit meerdere metalen. Pogingen van onderzoekers om verschillende metalen te mengen hebben vaak geresulteerd in een fragmentarische, ongelijkmatige verdeling in plaats van een uniforme vermenging. Dit gebeurt omdat verschillende metalen uiteenlopende reactiviteiten hebben, waardoor ze moeilijk uniform met elkaar kunnen vermengen tot het ingewikkelde, zeer geordende kristalrooster van een MOF. Maar uit een nieuwe studie gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen (“Een metaal-organisch raamwerk dat zeldzame-aardmetaalelementen van verschillende grootte bevat: richting multifunctionaliteit A La Carte"), rapporteren onderzoekers een baanbrekende mengtechniek waarmee ze eindelijk systematisch veel verschillende metalen tot MOF's kunnen mengen. Hun aanpak was gebaseerd op speciaal ontworpen organische linkermoleculen die de verschillende metaalingrediënten zachtjes overhalen om zich uniform te mengen binnen de MOF-structuur.
Resultaten bij de competitieve vorming van kristallen met verschillende bimetaalcombinaties en voorbeelden van staafvormige secundaire bouweenheden (SBU). a) Combinatie van zeldzame aardmetaalkationen van verschillende grootte in staafvormige SBU's opgebouwd uit gedicarboxyleerde linkers resulteert in preferentiële gedeeltelijke segregatie. b) Eén staaf-SBU van RPF-4, samengesteld uit monometaal LnO9 veelvlakken delen gezichten (Ln = Yb of La) door H2hfipdd-linker. c) één staaf-SBU van mCB-Tb bestaande uit LnOx (x = 8–9) veelvlakken die hoekpunten delen door mCB-L-linker.
“We demonstreren de synthese van een multimetallische MOF die twee, vier, zes of acht verschillende zeldzame aardmetalen bevat met verschillende afmetingen en in bijna equimolaire hoeveelheden en zonder segregatie in de samenstelling”, legt studieauteur Dr. José Giner Planas van het Instituut voor Materiaalwetenschappen in Barcelona.
Zeldzame aardmetalen verwijzen naar chemische elementen zoals neodymium, gadolinium en erbium die unieke magnetische en optische eigenschappen hebben die essentieel zijn voor technologieën variërend van lasers tot MRI-scanners. Door acht verschillende zeldzame aardmetalen met elkaar te vermengen, konden de onderzoekers de thermische, optische en magnetische eigenschappen van de resulterende MOF op maat afstemmen.
De sleutel was hun gespecialiseerde organische linkermolecuul, dat moleculaire clusters bevatte die carboranen worden genoemd. Carboranen zijn uitzonderlijk stabiele 3D-koolstof-boormoleculen in de vorm van een voetbal. In het onderzoek verbonden de onderzoekers twee carboraanballen met elkaar met behulp van een stijve staafachtige linker. De omvangrijke carboraanballen duwden de verschillende zeldzame aardmetalen zachtjes uit elkaar, terwijl de staafvormige linker ze overhaalde om zich in een uniforme gemengde keten binnen de MOF te richten.
"Het gebruik van omvangrijke linkers zoals carboranen voor de synthese van multi-metaal MOF's stuurt de vorming van uniforme metaalketens aan, waardoor de introductie van meerdere kationen met verschillende groottes mogelijk wordt", legt Dr. Vlak.
Na systematisch verschillende combinaties van zeldzame aardmetalen te hebben getest, slaagde het team erin acht metalen met verschillende afmetingen met elkaar te vermengen – een primeur voor MOF’s. Analyses toonden aan dat de verschillende metalen gelijkmatig over het MOF-kristal waren verdeeld, in plaats van samen te klonteren.
Opmerkelijk is dat de ingewikkelde MOF de verschillende optische, magnetische en thermische eigenschappen behield die werden bijgedragen door de individuele metalen. “We demonstreren het naast elkaar bestaan van de acht metalen in de MOF, en laten de potentieel afstembare functionaliteiten zien die door de metalen worden geboden”, zegt Dr. Vlak.
De MOF vertoonde bijvoorbeeld veelzijdig magnetisch gedrag dat voortkwam uit de verschillende zeldzame aardmetalen. Twee van de metalen, terbium en dysprosium, gaven de MOF een ‘single-molecule magnet’-gedrag dat nuttig is voor gegevensopslag. Tegelijkertijd gaf het metaal gadolinium het een ‘magnetocalorisch’ effect dat warmte rondpompt als reactie op magnetisme – een effect dat wordt gebruikt in gespecialiseerde nano-koelkasten.
De bevindingen tonen aan dat gespecialiseerde MOF's met zeer afstembare eigenschappen op bestelling kunnen worden gemaakt door verschillende metalen in nauwkeurige verhoudingen met elkaar te mengen. Volgens Dr. Kortom, dit ontsluit de mogelijkheid om ‘QuMOF’s’ te creëren met behulp van zeldzame aardmetalen waarvan bekend is dat ze kwantumeigenschappen hebben die gewaardeerd worden voor kwantumcomputers. De carboraan-linkers kunnen mogelijk worden gebruikt om de verschillende zeldzame aardmetalen met atomaire precisie vast te leggen om ingewikkelde kwantumcomputercircuits te maken die zijn ingebed in een MOF.
Hoewel er nog veel werk overblijft, biedt de metaalmengtechniek onderzoekers een robuust nieuw platform voor het verkennen van multi-metaal MOF's. In de toekomst zouden dergelijke mix-and-match-MOF's potentieel een breed scala aan voorheen ontoegankelijke toepassingen kunnen opleveren door wetenschappers in staat te stellen combinaties van magnetische, optische, thermische en andere eigenschappen in te stellen door simpelweg de metaalverhoudingen af te stemmen.
By
Michael
Berger
Resultaten bij de competitieve vorming van kristallen met verschillende bimetaalcombinaties en voorbeelden van staafvormige secundaire bouweenheden (SBU). a) Combinatie van zeldzame aardmetaalkationen van verschillende grootte in staafvormige SBU's opgebouwd uit gedicarboxyleerde linkers resulteert in preferentiële gedeeltelijke segregatie. b) Eén staaf-SBU van RPF-4, samengesteld uit monometaal LnO9 veelvlakken delen gezichten (Ln = Yb of La) door H2hfipdd-linker. c) één staaf-SBU van mCB-Tb bestaande uit LnOx (x = 8–9) veelvlakken die hoekpunten delen door mCB-L-linker.
“We demonstreren de synthese van een multimetallische MOF die twee, vier, zes of acht verschillende zeldzame aardmetalen bevat met verschillende afmetingen en in bijna equimolaire hoeveelheden en zonder segregatie in de samenstelling”, legt studieauteur Dr. José Giner Planas van het Instituut voor Materiaalwetenschappen in Barcelona.
Zeldzame aardmetalen verwijzen naar chemische elementen zoals neodymium, gadolinium en erbium die unieke magnetische en optische eigenschappen hebben die essentieel zijn voor technologieën variërend van lasers tot MRI-scanners. Door acht verschillende zeldzame aardmetalen met elkaar te vermengen, konden de onderzoekers de thermische, optische en magnetische eigenschappen van de resulterende MOF op maat afstemmen.
De sleutel was hun gespecialiseerde organische linkermolecuul, dat moleculaire clusters bevatte die carboranen worden genoemd. Carboranen zijn uitzonderlijk stabiele 3D-koolstof-boormoleculen in de vorm van een voetbal. In het onderzoek verbonden de onderzoekers twee carboraanballen met elkaar met behulp van een stijve staafachtige linker. De omvangrijke carboraanballen duwden de verschillende zeldzame aardmetalen zachtjes uit elkaar, terwijl de staafvormige linker ze overhaalde om zich in een uniforme gemengde keten binnen de MOF te richten.
"Het gebruik van omvangrijke linkers zoals carboranen voor de synthese van multi-metaal MOF's stuurt de vorming van uniforme metaalketens aan, waardoor de introductie van meerdere kationen met verschillende groottes mogelijk wordt", legt Dr. Vlak.
Na systematisch verschillende combinaties van zeldzame aardmetalen te hebben getest, slaagde het team erin acht metalen met verschillende afmetingen met elkaar te vermengen – een primeur voor MOF’s. Analyses toonden aan dat de verschillende metalen gelijkmatig over het MOF-kristal waren verdeeld, in plaats van samen te klonteren.
Opmerkelijk is dat de ingewikkelde MOF de verschillende optische, magnetische en thermische eigenschappen behield die werden bijgedragen door de individuele metalen. “We demonstreren het naast elkaar bestaan van de acht metalen in de MOF, en laten de potentieel afstembare functionaliteiten zien die door de metalen worden geboden”, zegt Dr. Vlak.
De MOF vertoonde bijvoorbeeld veelzijdig magnetisch gedrag dat voortkwam uit de verschillende zeldzame aardmetalen. Twee van de metalen, terbium en dysprosium, gaven de MOF een ‘single-molecule magnet’-gedrag dat nuttig is voor gegevensopslag. Tegelijkertijd gaf het metaal gadolinium het een ‘magnetocalorisch’ effect dat warmte rondpompt als reactie op magnetisme – een effect dat wordt gebruikt in gespecialiseerde nano-koelkasten.
De bevindingen tonen aan dat gespecialiseerde MOF's met zeer afstembare eigenschappen op bestelling kunnen worden gemaakt door verschillende metalen in nauwkeurige verhoudingen met elkaar te mengen. Volgens Dr. Kortom, dit ontsluit de mogelijkheid om ‘QuMOF’s’ te creëren met behulp van zeldzame aardmetalen waarvan bekend is dat ze kwantumeigenschappen hebben die gewaardeerd worden voor kwantumcomputers. De carboraan-linkers kunnen mogelijk worden gebruikt om de verschillende zeldzame aardmetalen met atomaire precisie vast te leggen om ingewikkelde kwantumcomputercircuits te maken die zijn ingebed in een MOF.
Hoewel er nog veel werk overblijft, biedt de metaalmengtechniek onderzoekers een robuust nieuw platform voor het verkennen van multi-metaal MOF's. In de toekomst zouden dergelijke mix-and-match-MOF's potentieel een breed scala aan voorheen ontoegankelijke toepassingen kunnen opleveren door wetenschappers in staat te stellen combinaties van magnetische, optische, thermische en andere eigenschappen in te stellen door simpelweg de metaalverhoudingen af te stemmen.
By
Michael
Berger
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64068.php
