Los materiales que constan de componentes inorgánicos y orgánicos pueden combinar lo mejor de dos mundos: en determinadas circunstancias, los denominados MOF, abreviatura de estructuras organometálicas, se estructuran en el mismo orden que los cristales y al mismo tiempoporoso y deformable. Esto abre la perspectiva de materiales inteligentes para aplicaciones técnicas de ahorro de energía. Sin embargo, hasta ahora solo se han identificado unos pocos MOF flexibles.
Un equipo de investigación de la Ruhr-Universität Bochum RUB y la Universidad Técnica de Múnich TUM ha utilizado experimentos y simulaciones para descubrir por qué medios se pueden hacer flexibles los MOF y por qué: engañaron al sistema utilizando manipulaciones químicas inteligentes parapermitir una variedad de arreglos energéticamente similares en el orden cristalino.
El potencial de aplicación de los MOF se descubrió por primera vez hace unos 20 años, y desde entonces se han identificado casi 100.000 de estos materiales porosos híbridos. Hay grandes esperanzas para las aplicaciones técnicas, especialmente para los MOF flexibles.
Como amortiguadores, por ejemplo, podrían reaccionar a una presión alta repentina cerrando sus poros y perdiendo volumen, es decir, deformando plásticamente. O podrían separar sustancias químicas entre sí como una esponja absorbiéndolas en sus poros y liberándolas nuevamente.bajo presión.
"Esto requeriría mucha menos energía que el proceso de destilación habitual", explica Rochus Schmid. Sin embargo, hasta la fecha solo se han identificado unos pocos MOF flexibles de este tipo.
MOF bajo presión
Para llegar al fondo de los mecanismos subyacentes dentro de dichos materiales, el equipo de Munich ha llevado a cabo un análisis experimental más detallado de un MOF ya ampliamente conocido. Con este fin, los investigadores lo sometieron a una presión uniforme desde todos los lados,mientras observa lo que sucede en el interior mediante el análisis de la estructura de rayos X.
"Queríamos saber cómo se comporta el material bajo presión y qué factores químicos son la fuerza impulsora detrás de las transiciones de fase entre el estado de poro abierto y el de poro cerrado", dice Gregor Kieslich. El experimento mostró que la forma de poro cerradono es estable; bajo presión el sistema pierde su orden cristalino, en resumen: se descompone.
Este no es el caso con una variante de la misma estructura básica: si el equipo unió cadenas laterales flexibles de átomos de carbono a las piezas de conexión orgánicas del MOF que sobresalen en los poros, el material permaneció intacto cuando se comprimió y retomó su originalforma cuando la presión disminuyó. Los brazos de carbono convirtieron el material no flexible en un MOF flexible.
El secreto de la transformación de fase
El equipo de Bochum investigó los principios subyacentes utilizando simulaciones de química informática y dinámica molecular. "Hemos demostrado que el secreto está en los grados de libertad de las cadenas laterales, la llamada entropía", describe Rochus Schmid.la naturaleza se esfuerza por lograr la mayor entropía posible, para decirlo simplemente, el mayor número posible de grados de libertad para distribuir la energía del sistema ".
"La gran cantidad de arreglos posibles de los brazos de carbono en los poros asegura que la estructura de poros abiertos del MOF se estabilice entrópicamente", continúa Schmid. Esto facilita una transformación de fase de la estructura de poros abiertos a la estructura de poros cerradosy viceversa, en lugar de romperse cuando los poros se aprietan como sería el caso sin los brazos de carbono ".
Para calcular un sistema tan grande compuesto por muchos átomos y buscar las muchas configuraciones posibles de los brazos en los poros, el equipo desarrolló un modelo teórico preciso y numéricamente eficiente para la simulación.
El resultado clave del estudio es la identificación de otra opción química para controlar y modificar el comportamiento de respuesta macroscópica de un material inteligente mediante un factor termodinámico. "Nuestros hallazgos abren nuevas formas de lograr específicamente transformaciones de fase estructural en MOF porosos".concluye Gregor Kieslich.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Técnica de Munich TUM . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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