Voir les molécules à l'intérieur d'une "boîte à sardines" de taille nanométrique !
Une nouvelle méthode astucieuse d'observation des cadres métallo-organiques et des interactions entre molécules invitées, utilisant la spectroscopie infrarouge polarisée en temps réel
La plupart des gens ne pensent pas à la façon dont les molécules s'insèrent dans les espaces ultraminces entre d'autres molécules, mais c'est pourtant ce que fait chaque jour l'équipe de recherche du professeur Masahide Takahashi à l'université métropolitaine d'Osaka. Ils étudient les cadres métallo-organiques (MOF), composés d'ions métalliques et de molécules (lieurs organiques) disposés de manière modulaire, formant un échafaudage. Les ions métalliques agissent comme des coins reliés par des lieurs organiques plus longs. Un MOF peut être fabriqué en utilisant différents métaux et lieurs organiques, de sorte qu'il peut être conçu pour des propriétés chimiques/physiques spécifiques, intéressantes pour le revêtement de capteurs dans des dispositifs optiques et électroniques. La raison en est que l'échafaudage MOF laisse beaucoup d'espace interne ouvert. Ces pores peuvent "accueillir" de nombreuses molécules "invitées", qui peuvent accéder à l'énorme surface interne des MOF, ce qui les rend idéaux pour le développement de matériaux catalytiques, le stockage et la séparation des gaz, et l'assainissement de l'environnement.
Le cadre métallo-organique forme un échafaudage, avec des pores de taille nanométrique qui retiennent les molécules (à gauche). Lorsque de longues molécules de gaz n-hexane sont ajoutées aux pores sous pression, les molécules s'alignent dans un effet "boîte de sardine" (à droite).
Masahide Takahashi, OMU
En utilisant un spectromètre pour mesurer l'absorption par le MOF et la molécule invitée de deux types de lumière infrarouge polarisés différemment, la méthode de l'équipe de recherche est la première à mesurer les interactions invité-invité et invité-hôte en temps réel. La spectroscopie infrarouge est couramment utilisée dans les laboratoires et les ajouts nécessaires à la polarisation de la lumière utilisent un minimum de matériaux, y compris des composants imprimés en 3D facilement reproductibles. Il s'agit d'une avancée considérable dans l'étude des MOF, qui devient beaucoup plus accessible que la diffraction des rayons X ou la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire à l'état solide, utilisées auparavant.
Une propriété unique des MOF est qu'ils peuvent modifier leur conductivité et leur photoluminescence en augmentant ou en diminuant le nombre de molécules invitées qui sont hébergées dans leurs pores. Lorsqu'elles sont serrées, les molécules invitées peuvent s'aligner, créant ainsi des différences d'absorption de la lumière et de résistance électrique en fonction de la direction. Les chercheurs ont baptisé ce phénomène l'effet "boîte de sardines", car les molécules des gaz ne sont pas toujours rondes, et les molécules de gaz de forme différente se comportent souvent comme des "sardines" lorsqu'elles sont confinées dans une "boîte" de nanopores. Lorsque de longues molécules sont ajoutées, elles se heurtent les unes aux autres jusqu'à ce qu'elles se retrouvent côte à côte, bien tassées et orientées dans la même direction, comme les sardines.
Si vous faisiez passer une lumière à travers le côté d'une boîte de sardines transparente, vous pourriez avoir une bonne idée de la direction dans laquelle les sardines sont alignées en vous basant sur leurs ombres. Cependant, les films MOF et les molécules invitées sont trop petits pour projeter des ombres. Les chercheurs ont donc utilisé une autre caractéristique de la lumière : la polarisation. Les chercheurs ont utilisé la lumière infrarouge dans deux polarisations et ont mesuré l'absorbance de la molécule invitée pour chaque polarisation séparément. Lorsque la pression partielle du gaz dans le film de MOF a augmenté, les molécules invitées ont commencé à s'aligner, augmentant l'absorbance d'une polarisation.
Cela a permis aux chercheurs de trouver la pression partielle à laquelle les molécules hôtes s'alignent et comment elles interagissent à différentes pressions. Les liaisons moléculaires entre les différents atomes absorbent des longueurs d'onde spécifiques de la lumière infrarouge. En comparant les longueurs d'onde polarisées qui ont été absorbées, les chercheurs ont pu déterminer dans quelle direction les molécules du film de MOF étaient orientées. À des pressions plus élevées, lorsque les pores du MOF étaient pleins, ils ont également découvert des défauts qui ont commencé à apparaître dans l'échafaudage du MOF en raison de la présence des molécules invitées. Lorsque les molécules invitées ont été retirées, les défauts se sont inversés, donnant la première observation claire des interactions entre les molécules invitées et les molécules hôtes dans le MOF.
Ces résultats ne sont qu'un début, car cette technique peut être utilisée pour étudier différents films MOF et les interactions entre les molécules invitées en temps réel. Cette nouvelle frontière de la science des matériaux a le potentiel de résoudre de nombreux défis futurs pour les sciences humaines. "Ces résultats clarifient la façon dont les molécules pénètrent dans les nanopores et comment elles sont alignées. Grâce à cette technique, nous pouvons espérer développer des matériaux poreux à haute performance", a conclu le Dr Bettina Baumgartner.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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