L’Università Tecnica di Graz svela il mistero della struttura dei film sottili di MOF

Grazie alla loro elevata porosità, i reticoli metallo-organici (MOF) sono considerati materiali promettenti per applicazioni innovative, motivo per cui nel 2025 è stato assegnato il Premio Nobel per la Chimica per la loro scoperta. Vengono utilizzati, ad esempio, per lo stoccaggio di gas, per la cattura di CO₂ e per il rilascio mirato di farmaci. Mentre la struttura dei MOF sotto forma di grandi cristalli può essere determinata con relativa facilità, quella dei film sottili è rimasta in gran parte un mistero. Eppure è proprio la struttura a essere determinante per le proprietà e per le potenziali applicazioni.

Un team guidato da Roland Resel ed Egbert Zojer dell’Istituto di Fisica dello Stato Solido dell’Università Tecnica di Graz (TU Graz), insieme a colleghi dell’Istituto di Chimica Fisica e Teorica (guidato da Paolo Falcaro) e dell’Istituto Tecnologico di Karlsruhe (guidato da Christof Wöll), ha ora risolto questo enigma. I risultati sono stati pubblicati in un articolo sulla prestigiosa rivista *Advanced Functional Materials*. Utilizzando come esempio il film sottile di benzene dicarbossilato di rame (Cu(bdc)), oggetto di studi approfonditi, i ricercatori hanno dimostrato che nessuno dei modelli strutturali proposti finora è corretto. Hanno invece identificato una struttura che spiega tutte le proprietà osservate e che riserva una sorpresa: i film sottili di Cu(bdc) non sono affatto porosi, come ci si aspetterebbe normalmente dai MOF.

I modelli strutturali devono essere rivalutati

«I nostri risultati suggeriscono che molti modelli strutturali pubblicati relativi ai film sottili di MOF potrebbero essere errati e debbano essere rivalutati», afferma Egbert Zojer. La scoperta è stata ottenuta combinando complesse simulazioni di meccanica quantistica con una tecnica di misurazione specializzata, nota come diffrazione a raggi X a incidenza radente rotante (rotating GIXD), eseguita presso il sincrotrone Elettra di Trieste. A differenza delle misurazioni convenzionali, che rilevano la diffrazione dei raggi X in una direzione specifica e forniscono quindi solo una quantità limitata di dati, il metodo GIXD rotante offre un quadro quasi completo della periodicità cristallina. Combinando le misurazioni con le suddette simulazioni di meccanica quantistica e con la determinazione della densità del film sottile mediante riflettometria a raggi X, il team è riuscito a escludere il gran numero di strutture precedentemente proposte in letteratura e, infine, a rivelare la vera identità del film attraverso le simulazioni.

Densamente impaccato anziché altamente poroso

I risultati contraddicono le opinioni precedentemente prevalenti. La maggior parte della letteratura scientifica aveva descritto la struttura come altamente porosa, sebbene ciò si fosse già rivelato difficile da conciliare con alcune osservazioni effettuate in passato. Sta ora diventando evidente, tuttavia, che, anziché essere altamente poroso, il film sottile di Cu(bdc) è densamente impaccato e contiene gruppi idrossido aggiuntivi, che mancavano nella maggior parte dei modelli precedenti. La struttura scoperta spiega perché i film difficilmente possono essere caricati con molecole ospiti, perché mostrano una stabilità insolitamente elevata nei confronti dell’acqua e perché possiedono proprietà magnetiche che sarebbero incompatibili con le strutture ipotizzate in precedenza.

Nuove potenziali applicazioni

La struttura non porosa ora identificata non solo spiega la robustezza chimica del materiale, ma ne conferma anche lo stato fondamentale ferromagnetico. Ciò sposta le potenziali applicazioni di questi film verso fenomeni fisici che potrebbero essere rilevanti nella tecnologia dei sensori, nella microelettronica o nei sistemi di memorizzazione magnetica. Inoltre, la struttura contiene strati di ossido di rame che ricordano i superconduttori ad alta temperatura. Le potenziali applicazioni che ne derivano costituiscono la base per ulteriori ricerche.

«Grazie al nostro lavoro, siamo riusciti a dimostrare che una caratterizzazione strutturale affidabile dei film sottili di MOF è possibile solo attraverso una combinazione di moderni metodi di diffrazione e modellizzazione teorica», afferma Egbert Zojer. «La metodologia di diffrazione, sviluppata principalmente dal gruppo di Roland Resel, insieme al software sviluppato presso l’Università Tecnica di Graz per l’analisi dei dati del sincrotrone, costituisce uno strumento importante a tal fine. Essa getta le basi per chiarire in futuro la struttura di ulteriori film sottili di MOF e, successivamente, per sfruttarli in modo specifico per nuove applicazioni nella tecnologia dei sensori e nella microelettronica.”