Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah phát triển phương pháp thiết kế MOF mới Kỹ thuật xây dựng cửa sổ hình vòm bằng đá có từ hàng thế kỷ trước đã truyền cảm hứng cho một phương pháp mới để hình thành các cửa sổ có kích thước nano tùy chỉnh trong các vật liệu chức năng xốp - khung hữu cơ kim loại (MOF) - có ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực tách khí và y tế. Một phiên bản phân tử của vòm kiến trúc "mẫu ở giữa" được sử dụng để định hướng hình thành MOF với các khe có hình dạng và kích thước được xác định trước.
Có rất nhiều loại MOF mới được thiết kế và chế tạo bằng phương pháp này, từ vật liệu lỗ hẹp có khả năng tách khí đến các cấu trúc xốp lớn có tiềm năng ứng dụng y tế nhờ khả năng hấp phụ oxy tuyệt vời của chúng.
Aleksandr Sapianik, một postdoc trong nhóm của Mohamed Eddaoudi, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: "Một trong những mục tiêu thách thức nhất trong việc thiết kế các cấu trúc mới là kiểm soát chính xác sự hình thành của cấu trúc". Dựa trên hóa học mạng lưới (sự lắp ráp các khối xây dựng phân tử thành các vật liệu tinh thể xốp như MOF), nhóm nghiên cứu nhận ra rằng khái niệm mẫu định tâm có thể mang lại khả năng kiểm soát chính xác. Sapianik cho biết: "
Điểm khởi đầu của nghiên cứu là các MOF giống zeolite (ZMOF), thường có các cửa sổ hình ngũ giác được đóng khung bởi các khối xây dựng được gọi là siêu tứ diện (ST). "Mục tiêu của chúng tôi là kiểm soát sự liên kết ST từ cấu trúc liên kết nổi tiếng này đến cấu trúc liên kết chưa từng được báo cáo trước đây bằng cách sử dụng các khối xây dựng này".
Nhóm nghiên cứu đã phát triển các tác nhân định hướng cấu trúc trung tâm (cSDA) để kiểm soát sự căn chỉnh ST và hình thành các cửa sổ ZMOF có hình dạng và kích thước mới. Một bộ cSDA được thiết kế để thắt chặt góc giữa các ô ST liền kề, do đó tạo thành một bộ cSDA khác nhằm mục đích mở rộng góc giữa các đơn vị ST, do đó tạo thành một cửa sổ lớn hơn.
Marina Barsukova, một postdoc trong nhóm của Eddaoudi, cho biết: "Kích thước và thể tích lỗ xốp MOF là những thông số quan trọng ảnh hưởng đến ứng dụng của nó. ZMOF cửa sổ lớn (Fe-sod-ZMOF-320) do nhóm nghiên cứu thiết kế cho thấy khả năng hấp phụ oxy cao nhất trong số các MOF đã biết. Đặc tính này rất quan trọng trong ngành y tế và hàng không vũ trụ, vì công suất cao có thể làm tăng lượng oxy dự trữ trong bình oxy, hoặc Làm cho bình oxy nhỏ hơn và dễ vận chuyển hơn. ZMOF tương tự cũng có khả năng lưu trữ khí metan và hydro rất tốt, cả hai đều là nhiên liệu tiềm năng. Các ZMOF khác trong dòng có cửa sổ hẹp cũng cho thấy triển vọng trong việc tách khí của hỗn hợp phân tử. Vincent Guillerm, nhà khoa học nghiên cứu trong nhóm
, cho biết: “Khái niệm cSDA mang lại một số lợi thế”. Ông cho biết: "cSDA tách các cửa sổ lớn thành các cửa sổ nhỏ hơn và kết quả sơ bộ của chúng tôi cho thấy điều này sẽ hỗ trợ phân tách hóa học. Nó cũng cung cấp thêm bề mặt lỗ bên trong, giúp cải thiện khả năng lưu trữ khí và củng cố khung MOF, từ đó cải thiện tính ổn định của vật liệu. Phương pháp tập trung mà chúng tôi đã phát triển là một chiến lược mạnh mẽ khác cho hóa học mạng, mang lại tiềm năng lớn cho việc sản xuất MOF theo yêu cầu cho các ứng dụng trong lĩnh vực an ninh năng lượng và bền vững môi trường."