Comment une éponge cristalline libère des molécules d’eau

Comment une éponge cristalline libère des molécules d'eau

Comment une éponge cristalline libère des molécules d'eau

Une image au microscope montrant un matériau cristallin poreux appelé un cadre métallique-organique, ou MOF (le matériau en violet). Ce MOF est composé de sulfate de cobalt (II) heptahydraté, d’acide 5-aminoisophtalique et de 4,4′-bipyridine, et il est présenté dans son état hydraté. Crédits: Travis Mitchell

Comment l’eau laisse-t-elle une éponge?


Dans une nouvelle étude, les scientifiques répondent en détail à cette question pour un matériau cristallin poreux fabriqué à partir de blocs de construction métalliques et organiques, en particulier le sulfate de cobalt (II) heptahydraté, l’acide 5-aminoisophtalique et la 4,4′-bipyridine.

À l’aide de techniques avancées, les chercheurs ont étudié comment cette éponge cristalline a changé de forme en passant d’un état hydraté à un état déshydraté. Les observations ont été élaborées, permettant à l’équipe de «voir» quand et comment trois molécules d’eau individuelles ont quitté le matériau en séchant.

Les éponges cristallines de ce type appartiennent à une classe de matériaux appelés armatures organométalliques (MOF), qui présentent un potentiel pour des applications telles que le piégeage de polluants ou le stockage de carburant à basse pression.

«C’était un très bel exemple détaillé d’utilisation de la diffraction dynamique des rayons X in situ pour étudier la transformation d’un cristal MOF», déclare Jason Benedict, Ph.D., professeur agrégé de chimie à l’Université du Buffalo College of Arts et Sciences. «Nous initions une réaction – une déshydratation. Ensuite, nous la surveillons avec des rayons X, en résolvant les structures cristallines, et nous pouvons réellement observer comment ce matériau se transforme de la phase complètement hydratée à la phase complètement déshydratée.

«Dans ce cas, le cristal hydraté contient trois molécules d’eau indépendantes, et la question était fondamentalement, comment passer de trois à zéro? Ces molécules d’eau en partent-elles une à la fois? Partent-elles toutes en même temps?

«Et nous avons découvert que ce qui se passe, c’est qu’une molécule d’eau part très rapidement, ce qui fait que le réseau cristallin se comprime et se tord, et que les deux autres molécules finissent par partir ensemble. Elles fuient en même temps, ce qui fait que le réseau Tout ce mouvement que je décris – vous n’auriez aucune idée de ce genre de mouvement en l’absence de ce genre d’expériences que nous effectuons. « 

La recherche a été publiée en ligne le 23 juin dans la revue Dynamique structurelle. Benedict a dirigé l’étude avec les premiers auteurs Ian M. Walton et Jordan M. Cox, UB chimie Ph.D. diplômés. D’autres scientifiques de l’UB et de l’Université de Chicago ont également contribué au projet.

Comprendre comment les structures des MOF se transforment – étape par étape – au cours de processus comme la déshydratation est intéressant du point de vue de la science fondamentale, dit Benedict. Mais une telle connaissance pourrait également contribuer aux efforts de conception de nouvelles éponges cristallines. Comme l’explique Benedict, plus les chercheurs pourront en apprendre davantage sur les propriétés de ces matériaux, plus il sera facile de créer de nouveaux MOF adaptés à des tâches spécifiques.

La technique que l’équipe a développée et utilisée pour étudier la transformation du cristal fournit aux scientifiques un outil puissant pour faire avancer la recherche de ce type.

«Les scientifiques étudient souvent les cristaux dynamiques dans un environnement statique», explique le co-auteur Travis Mitchell, titulaire d’un doctorat en chimie. étudiant dans le laboratoire de Benoît. « Cela limite considérablement la portée de leurs observations avant et après la mise en place d’un processus particulier. Nos résultats montrent que l’observation de cristaux dynamiques dans un environnement également dynamique permet aux scientifiques de faire des observations pendant qu’un processus particulier est en cours. Notre groupe a développé un dispositif qui nous permet de contrôler l’environnement par rapport au cristal: nous sommes capables de faire circuler en continu du fluide autour du cristal pendant que nous collectons des données, ce qui nous fournit des informations sur comment et pourquoi ces cristaux dynamiques se transforment. « 

L’étude a été soutenue par la National Science Foundation (NSF) et le US Department of Energy, y compris par le biais de l’installation ChemMatCARS de la NSF, où une grande partie du travail expérimental a eu lieu.

«Ces types d’expériences prennent souvent des jours à être exécutés sur un diffractomètre de laboratoire», dit Mitchell. « Heureusement, notre groupe a pu réaliser ces expériences en utilisant le rayonnement synchrotron au ChemMatCARS de NSF. Avec le rayonnement synchrotron, nous avons pu effectuer des mesures en quelques heures. »


De minuscules éponges en cristal activées par la lumière échouent avec le temps. Pourquoi?


Plus d’information:
Ian M. Walton et al, Détermination de la voie de déshydratation dans un cadre métal-organique flexible par diffraction dynamique des rayons X in situ, Dynamique structurelle (2020). DOI: 10.1063 / 4.0000015

Fourni par l’Université de Buffalo

Citation: Comment une éponge cristalline libère des molécules d’eau (29 juillet 2020) récupéré le 29 juillet 2020 sur https://phys.org/news/2020-07-crystalline-sponge-molecules.html

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