Dissenyen materials fotònics per a sensors amb partícules que s’auto-acoblen

Investigadors de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) i del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) han aconseguit formar partícules poroses de xarxes metall-orgàniques (MOFs) que s’acoblen de manera espontània en superestructures tridimensionals ben ordenades que es comporten como un cristall fotònic. Aquest descobriment ofereix oportunitats en el disseny de nous materials fotònics per a sensors, entre d’altres possibles aplicacions.

 

Els científics han aconseguit formar partícules poroses de xarxes metall-orgàniques (MOFs) que s’acoblen de manera espontània en superestructures tridimensionals ben ordenades, com peces de Lego. Imatge: ICN2/CSIC.En un laboratori als afores de Barcelona, petites partícules s'organitzen elles mateixes en superestructures tridimensionals ordenades. Són com petites peces de Lego que s'encaixen una a una per crear un nou material. No són partícules qualsevols, es tracta de partícules híbrides orgànico-inorgàniques altament poroses la grandària i forma de les quals es pot controlar per modificar les propietats del material resultant.

Els processos d'auto-acoblament són freqüents en química, ciència de materials o biologia, però ara emergeixen com un mètode eficient per obtenir un ventall de materials amb estructures uniformes a la nanoescala. Nombrosos estudis han descrit ja la síntesi de partícules de polímers orgànics o de base metàl•lica que s'auto-acoblen de forma espontània en superestructures 3D ordenades. Avui investigadors de l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) i de l'Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) presenten els seus resultats en relació a partícules metall-orgàniques híbrides, afegint així una nova família a la llista de compostos que poden auto-acoblar-se: les xarxes metall-orgàniques poroses (MOFs, per les seves sigles en anglès: metal-organic frameworks).

Un exemple il•lustratiu són les boles de canó: es poden apilar fàcilment gràcies a la seva forma, encaixant les unes amb les altres independentment de la seva orientació. Els maons, en canvi, han d'estar en el lloc correcte i orientats com cal per crear una pila ordenada. Quan aquest exercici es realitza a la nanoescala, els problemes a resoldre són similars. Una condició per al que podríem anomenar "efecte Lego" és que totes les partícules sintetitzades tinguin la mateixa mida (monodispersió) i la mateixa forma, perquè quan encaixin les unes amb les altres, la forma resultant estigui ben ordenada i empaquetada i sigui funcional.

Fins a la data això mai s'havia aconseguit amb compostos cristal•lins moleculars com els MOFs, tot i que poden compartir geometries polièdriques similars a les dels seus equivalents metàl·lics. En el nou treball, publicat aquesta setmana a Nature Chemistry, investigadors encapçalats pel Prof. ICREA Daniel Maspoch de l’ICN2 i el Prof. Cefe López de l’ICMM, amb Civan Avci (ICN2) com a primer autor, presenten la síntesi dels MOFs coneguts com "ZIF-8" i "UiO-66" amb les condicions adequades de mida i forma per a què puguin auto-acoblar-se.

Les superestructures 3D resultants, fabricades amb milers de milions de partícules idèntiques ordenades en cristalls que poden arribar a fer uns mil•límetres, presenten característiques típiques dels cristalls fotònics. Aquests cristalls són materials nous que permeten controlar i manipular la llum. Es tracta de superestructures que dispersen la llum de manera que s'obtenen colors sense necessitat de pigments o tints, els anomenats colors estructurals. A més, controlant la mida i la forma de les partícules amb les que se sintetitzen els cristalls, és possible tunejar la banda prohibida fotònica del vidre per modificar-ne el color.

Aquestes noves superestructures també posseeixen una gran porositat, propietat que pot aprofitar-se per dissenyar sensors

En estar formades per MOFs, aquestes noves superestructures també posseeixen una gran porositat, una propietat que pot aprofitar-se per dissenyar sensors: diferents substàncies absorbides pels porus faran que la llum es refracti en diferents colors. Aquest efecte es pot afinar de manera que un determinat color indiqui la presència d'una determinada substància. La capacitat de crear superestructures 3D fetes de peces poroses ofereix altres beneficis com ara l'alineació de porus a gran escala, que en un futur proper pot permetre el desenvolupament de membranes millorades per a l'absorció i catàlisi de gasos.

El present treball és el resultat d'una col•laboració multidisciplinària entre centres de recerca a Espanya i Holanda. Liderat per l’ICN2 i l’ICMM, el coneixement teòric i pràctic d'investigadors del Debye Institute for Nanomaterials Science de la Utrecht University i l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC) també ha estat important per obtenir els resultats.

Referència de l’article:
Civan Avci, Inhar Imaz, Arnau Carné-Sánchez, Jose Angel Pariente, Nikos Tasios, Javier Pérez-Carvajal, Maria Isabel Alonso, Alvaro Blanco, Marjolein Dijkstra, Cefe Lopez, and Daniel Maspoch. Self-Assembly of Polyhedral Metal-Organic Framework Particles into Three-Dimensional Ordered Superstructures. Nature Chemistry. DOI: 10.1038/nchem.2875