Flexibele kristallen lijken een contradictio in terminis, maar ze bestaan wel degelijk. Het nanoporeuze materiaal MIL-53 is er typisch voorbeeld van (zie figuur). Het is een metaal-organisch rooster (MOF), d.i. een periodiek rooster bestaande uit metaaloxides (vb. aluminiumoxide) die met elkaar verbonden door organische linkers (vb. fenyllinkers). MIL-53 kan onder invloed van druk en temperatuur een drastische volumeverandering ondergaan (tot 30%) zonder de kristaltopologie te veranderen (zie figuur): het materiaal is dus zowel kristallijn als flexibel. Deze volumeverandering kan zowel reversibel als irreversibel zijn, afhankelijk van de aard van het metaal, vertoont soms hysteresis en wordt ook ‘ademen’ genoemd (breathing). Een ander voobeeld is ZIF-8, een zeolietkristal dat kan zwellen onder invloed van temperatuur. Bovendien zijn de vermelde materialen poreus waarbij poriën enkele nanometers groot kunnen zijn. Een volumeverandering kan dan ook uitgelokt worden door adsorptie van gastmolecules in de poriën. Het ademend gedrag van deze flexibele materialen blijkt echter in sterke mate af te hangen van de keuze van het metaal, de eventuele gastmolecules en de topologie.

In deze thesis wordt gezocht naar de voorwaarden waaraan een materiaal moet voldoen om te ademen. Reversibele volumeveranderingen die geïnduceerd worden door druk, temperatuur of adsorptie hebben namelijk vele toepassingen, bijvoorbeeld in de separatie van CO2 uit verbrandingsgassen, de opslag van waterstof, of de gecontroleerde afgave van medicijnen. Materialen die een irreversibele volumeveranderingen vertonen, kunnen gebruikt worden als schokdempers. Om voor elke toepassing een doordachte materiaalkeuze te kunnen maken, is het essentieel om het ademend gedrag volledig te begrijpen, en meer nog, het te kunnen voorspellen.

Er bestaat een uitgebreide database van nanoporeuze materialen die zowel bestaande als hypothetische materialen bevat. Het is dan ook wenselijk om een berekeningsmethode te ontwikkelen die erg efficient werkt, om zo de hele database te kunnen scannen en potentiële kandidaten voor bepaalde toepassingen te identificeren. De adsorptie-eigenschappen en de flexibiliteit van deze materialen lijken verklaard te kunnen worden aan de hand van entropieberekeningen. Het werk van Sharp et. al. (2012) is hier inspirerend: door de warmtecapaciteit op een klein aantal temperaturen te berekenen en dan de verhouding met de temperatuur te integreren, bekwamen zij een redelijke entropieschatting voor enkele testmaterialen. Als eerste voorstel kan deze methode nu geimplementeerd, getest, en gevalideerd worden op enkele typische poreuze materialen zoals MIL-53 of het OKO-materiaal. Na de nodige aanpassingen kan de berekeningsmethode dan geoptimaliseerd worden om een screening van de database uit te voeren.

Dit thesisonderwerp vraagt de nodige interesse in statistische fysica, implementatie van methodes, genereren van simulaties met moleculaire dynamica en grondige analyse van de computationele experimenten.