Nieuw nanoporeus materiaal vindt de weg naar hightechindustrie

Metaal-organische roosters (metal-organic frameworks, afgekort MOF’s) zijn een recent ontwikkelde klasse van materialen, die bestaan uit een nanoporeus rooster van zowel organisch moleculen als metaalionen. Bij het vormen van een MOF duwen organische moleculen metaalionen uit elkaar, zodat een regelmatig patroon met gaatjes, ook nanoporiën genoemd, ontstaat. De grootte van de poriën kan op nanoschaal (tot een paar miljardsten van een meter) gecontroleerd worden. Het interne oppervlak dat al die poriën binnen een MOF vormen, varieert van 1000 tot 5000 vierkante meter per gram materiaal. MOF’s zijn dus te vergelijken met sponsen die heel wat ander materiaal kunnen opnemen. 

Die eigenschap maken MOF’s interessant en er gebeurt al veel onderzoek naar toepassingen, vertelt professor Rob Ameloot van het Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse: “Bijvoorbeeld, als katalysator, waarbij chemische reacties van gastmoleculen in de poriën van de MOF versneld worden. Of voor gasopslag, omdat het interne oppervlak van MOF’s grote hoeveelheden gas kan vasthouden. Maar tot nu toe waren sommige toepassingen uitgesloten omwille van de aanmaakprocedure van MOF’s. Ze worden gemaakt met natte chemie, de traditionele chemie met oplossingen en solventen. Het eindresultaat is dan een MOF-poeder.

Voor geïntegreerde toepassingen op nanoschaal zijn de deeltjes in dat poeder te groot en is een methode met oplossingen niet zuiver genoeg. Bij een gassensor, bijvoorbeeld, wil je het MOF-materiaal als een dunne film over het oppervlak van het elektrisch circuit afzetten. Dat lukt niet als je vanuit de conventionele aanmaakprocedure vertrekt.”

Voor zijn doctoraatsonderzoek onder leiding van de professoren Dirk De Vos en Rob Ameloot ging bio-ingenieur Ivo Stassen op zoek naar een andere productiemethode dan natte chemie. Hij gebruikte dampen en gassen in plaats van vloeistoffen: “Dampfasedepositie is een gangbare procedure in de hightechindustrie, en het is de eerste keer dat het lukt om met deze methode poreuze materialen aan te maken. We zetten eerst zinklaagjes af, waarna we die laten reageren met damp van het organisch materiaal. Het organisch materiaal dringt in de zink, het geheel zet uit in volume en wordt volledig omgezet tot een materiaal met een regelmatige structuur en nanoporiën”,  legt Stassen uit. Om de procedure te verfijnen, werkt hij samen met Imec, het Leuvense onderzoeksinstituut in de nano-elektronica. KU Leuven en imec dienden ook een patentaanvraag in.

“Met deze alternatieve productiemethode kunnen MOF’s de weg vinden naar nieuwe toepassingen en industrieën. De hightechindustrie maakt al veel gebruik van dampfasedepositie en dat maakt dat er vrij snel nieuwe MOF-toepassingen ontwikkeld kunnen worden: gassensoren, componenten van nanochips en verbeterde batterijen”, vervolgt Stassen. Met verder onderzoek willen de wetenschappers nu deze nieuwe toepassingen voor MOF’s helpen ontwikkelen.