24 oktober 2017

Samenwerking tussen onderzoekers uit Utrecht, Barcelona en Madrid

Zelfassemblage van poreuze kristaldeeltjes tot nieuwe fotonische materialen

Onderzoekers uit Barcelona, Madrid en Utrecht zijn erin geslaagd nanodeeltjes te ontwikkelen die zichzelf spontaan ordenen in georganiseerde 3D-superstructuren met fotonische kristaleigenschappen. Marjolein Dijkstra, hoogleraar Natuurkunde aan de Universiteit Utrecht, voerde computersimulaties uit om te voorspellen hoe de deeltjes zichzelf in structuren zouden ordenen. Met dit onderzoek kunnen fotonische materialen worden ontwikkeld met nieuwe toepassingen. De samenwerking tussen de onderzoekers van Universiteit Utrecht, het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschap en Nanotechnologie en het Instituut voor Materiaalwetenschappen van Madrid leide tot een publicatie die op 23 oktober verscheen in Nature Chemistry. 

Zelfassemblage van nanodeeltjes is een efficiënte manier om materialen met een uniforme structuur te produceren. Verschillende studies hebben aangetoond dat de synthese van polymeer- en metaalgebaseerde deeltjes kan leiden tot spontane zelfassemblage van regelmatige driedimensionale superstructuren. Nu zijn er voor het eerst hybride metaal-organische deeltjes gebruikt voor zelfassemblage. Deze deeltjes kunnen nu toegevoegd worden aan de lijst van materialen die gebruikt kunnen worden voor driedimensionale zelfassemblage: metaal-organische frameworks (MOFs). 

Tot dusver was het nog niet gelukt om goed gestructureerde, goed samenhangende en functionele 3D-structuren te verkrijgen vanuit kristalhybride materialen als MOFs, ook al hebben deze dezelfde geometrische eigenschappen als metaal-gebaseerde materialen. 

Fotonische kristallen

De resulterende driedimensionale superstructuren zijn opgebouwd uit vele miljarden identieke deeltjes, gerangschikt in kristallen met een doorsnee van enkele milimeters. Deze materialen hebben de typische eigenschappen van een fotonisch kristal: een veelbelovend nieuw materiaal dat gebruikt kan worden voor manipulatie van licht. Deze nieuwe structuren zorgen bijvoorbeeld voor de verstrooiing van licht (light scattering) op zo'n manier dat er kleur ontstaat zonder dat daarvoor pigment of verf gebruikt hoeft te worden. Dit verschijnsel wordt ook een structurele kleur genoemd. De kleur van het materiaal kan aangepast worden door de grootte en vormen van de gesynthetiseerde deeltjes te variëren.

Poreusheid

De nieuwe structuren die opgebouwd zijn uit MOFs zijn zeer poreus, waardoor het materiaal ingezet kan worden als detector voor bepaalde stoffen. Verschillende substanties die geadsorbeerd worden in de poriën leiden tot refractie van het licht in verschillende kleuren. Het materiaal kan zo opgebouwd worden dat het tonen van een bepaalde kleur een aanwijzing is voor de aanwezigheid van een bepaalde stof. De mogelijkheid om 3D-superstructuren te vormen van poreuze onderdelen maakt het ook mogelijk om toepassingen te ontwikkelen die gebaseerd zijn op de structuur van de poriën op grote schaal, bijvoorbeeld het produceren van verbeterde membranen voor gas-adsorptie en katalyse. 

Publicatie

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, 23 oktober 2017, DOI: 10.1038/nchem.2875
* verbonden aan de Universiteit Utrecht