I materiali noti come strutture metallo-organiche (MOF) hanno una struttura rigida, simile a una gabbia, che si presta a una varietà di applicazioni, dall’immagazzinamento di gas alla somministrazione di farmaci. Cambiando gli elementi costitutivi dei materiali o il modo in cui sono disposti, i ricercatori possono progettare MOF adatti a diversi usi. Tuttavia, non tutte le possibili strutture MOF sono abbastanza stabili da poter essere utilizzate per applicazioni come lo stoccaggio di gas. Per aiutare i ricercatori a capire quali strutture MOF potrebbero funzionare meglio per una determinata applicazione, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un approccio computazionale che consente di prevedere quali strutture saranno le più stabili. Utilizzando il loro modello computazionale, i ricercatori hanno identificato circa 10.000 possibili strutture MOF che classificano come “ultrastabili”, rendendole buone candidate per applicazioni come la conversione del gas metano in metanolo.
Modellazione dei MOF
Gli scienziati sono interessati ai MOF perché hanno una struttura porosa che li rende adatti ad applicazioni che coinvolgono lo stoccaggio e la separazione di gas simili tra loro o la conversione di un gas in un altro. Recentemente, gli scienziati hanno anche iniziato a esplorare la possibilità di utilizzarli per veicolare farmaci o agenti di imaging all’interno del corpo. I due componenti principali dei MOF sono le unità costruttive secondarie – molecole organiche che incorporano atomi di metallo come zinco o rame – e le molecole organiche chiamate linker, che collegano le unità costruttive secondarie. Queste parti possono essere combinate insieme in diversi modi, proprio come i mattoncini LEGO. Attualmente, il modo più comune per progettare i MOF è quello di procedere per tentativi ed errori. Più recentemente, i ricercatori hanno iniziato a sperimentare approcci computazionali alla progettazione di questi materiali. La maggior parte di questi studi si basano su previsioni di quanto il materiale funzionerà per una particolare applicazione, ma non sempre tengono conto della stabilità del materiale risultante.
Ultrastabilità
I ricercatori hanno quindi utilizzato i loro modelli computazionali per prevedere la stabilità di ognuna di queste 50.000 strutture e ne hanno identificate circa 10.000 che hanno ritenuto ultrastabili, sia per la stabilità termica che per la stabilità di attivazione. Hanno anche esaminato le strutture per la loro “capacità di erogazione”, una misura della capacità di un materiale di immagazzinare e rilasciare gas. Per questa analisi, i ricercatori hanno utilizzato il gas metano, perché la sua cattura potrebbe essere utile per rimuoverlo dall’atmosfera o convertirlo in metanolo. Hanno scoperto che i 10.000 materiali ultrastabili identificati avevano buone capacità di rilascio del metano ed erano anche meccanicamente stabili, come misurato dal modulo elastico previsto. I ricercatori hanno anche reso disponibile il loro database di materiali ultrastabili per i ricercatori interessati a testarli per le loro applicazioni scientifiche.
