Flexibele kristallen lijken een contradictio in terminis, maar kunnen wel degelijk gesynthetiseerd worden. Het materiaal MIL-53, een metaal-organisch rooster (MOF) bestaande uit metaalgroepen verbonden door organische ketens, is hier een voorbeeld van. MIL-53 kan onder invloed van druk en temperatuur een drastische volumeverandering ondergaan (zelfs 30%) zonder de kristaltopologie te veranderen: het materiaal is dus zowel kristallijn als flexibel. Deze volumeverandering is reversibel, vertoont soms hysteresis en wordt ook ‘ademen’ genoemd (breathing materials). Een ander voobeeld is ZIF-8, een zeolietkristal dat kan zwellen onder invloed van temperatuur. Bovendien zijn de vermelde flexibele materialen poreus. Een volumeverandering kan dan ook uitgelokt worden door adsorptie van gastmolecules in de poriën van de MOF of het zeoliet. Dit blijkt echter in sterke mate af te hangen van de keuze van het metaal en van de gastmolecules.

In deze thesis wordt gezocht naar de voorwaarden waaraan een materiaal moet voldoen om ademend gedrag te vertonen. 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. Om voor elke toepassing een doordachte materiaalkeuze te kunnen maken, is het essentieel om het breathing-mechanisme volledig te begrijpen en te kunnen voorspellen.

Recent werd in het Centrum voor Moleculaire Modellering een thermodynamisch model ontworpen dat de drie hoofdeigenschappen van het adsorptieproces in een ademend materiaal beschrijft: de flexibiliteit van het lege materiaal, de interactie van de gastmolecules met het materiaal, en de interactie van de gastmolecules onderling. Het model werd toegepast op het specifieke geval van CO₂-adsorptie in de chromiumvariant van MIL-53. Bij een gegeven chemische potentiaal van de gastmolecules en een gegeven mechanische druk, worden het volume en de hoeveelheid geadorbeerde molecules afgeleid door, na de passende Legendre-transformatie, het minimum te zoeken van het vrije-energieoppervlak.

Dit thesisonderwerp bouwt verder op het beschikbare thermodynamische model. Er dient een grondige analyse gemaakt te worden om de invloed van de drie hoofdeigenschappen in te schatten. De resultaten van de analyse is dan een reeks ‘fasediagrammen’ die aangeven onder welke combinatie van eigenschappen de (hypothetische) materialen ademen of niet. Bijvoorbeeld, door te sleutelen aan het vrije-energieprofiel van het lege materiaal krijgt men zicht op het effect van de materiaalflexibiliteit. Bij uitbreiding kan ook temperatuur als parameter onderzocht worden, waarvoor het huidige model aangepast moet worden om het effect van volumeafhankelijke entropie te incorpereren.