Los científicos han adaptado una técnica química utilizada en la fabricación tradicional de vidrio para desarrollar un material futurista conocido como vidrio de estructura organometálica (MOF). Estos materiales están hechos de átomos metálicos unidos por moléculas orgánicas y son valorados por su capacidad para atrapar gases como el dióxido de carbono y el hidrógeno e incluso capturar agua.
Los hallazgos fueron informados por un equipo de investigación internacional que incluye científicos de TU Dortmund y la Universidad de Birmingham. La naturaleza es química. 4 de mayo. Su trabajo muestra que los vidrios MOF se pueden ajustar y diseñar utilizando métodos similares a los utilizados durante mucho tiempo para el vidrio convencional.
Los investigadores descubrieron que la introducción de pequeños compuestos químicos que contienen sodio o litio cambiaba tanto la estructura como el comportamiento del material. Los aditivos reducen la temperatura de ablandamiento del vidrio y hacen que fluya más fácilmente cuando se calienta, lo que puede simplificar la fabricación.
El descubrimiento crea un nuevo marco para diseñar gafas MOF personalizadas para tecnologías avanzadas. Las aplicaciones potenciales incluyen separación de gases, almacenamiento de productos químicos, recubrimientos avanzados y sistemas de energía limpia.
Dr. de la Universidad de Birmingham. Dominik Kubicki dice: “El vidrio forma parte de la civilización humana desde hace milenios. Desde la antigua Mesopotamia hasta los modernos cables de fibra óptica, pequeñas cantidades de modificadores químicos hacen que el vidrio sea fácil de procesar y cambian sus propiedades funcionales.
“Sin embargo, los vidrios MOF sólo se ablandan a altas temperaturas (por encima de 300 °C), cercanas a su temperatura de degradación, lo que dificulta la fabricación y limita su uso más amplio. Este descubrimiento abre nuevas posibilidades para futuros materiales de alto rendimiento”.
El MOF de sodio cambia la estructura del vidrio.
Uno de los vidrios MOF más conocidos es el ZIF-62, un material poroso que se puede fundir y enfriar para obtener un vidrio sin dejar algunos de sus poros internos. Estos poros lo hacen útil para aplicaciones como separación de gases, membranas y catálisis.
El profesor Sebastian Heinke de la Universidad TU Dortmund explica: “Nuestro enfoque se inspira en cómo se modifican los vidrios de silicato convencionales: alterando la estructura de la red para ajustar el comportamiento de fusión y las propiedades mecánicas.
“Nuestra investigación muestra que los mismos principios se pueden transferir a vidrios híbridos metal-orgánicos. Este avance acerca los vidrios MOF un paso más a la producción y aplicaciones del mundo real en separación de gases, almacenamiento, catálisis y más”.
Para comprender cómo los aditivos de sodio cambiaron el material, los investigadores utilizaron técnicas de análisis avanzadas. Dirigido por científicos de la Universidad de Birmingham. Dominic Kubicki y Benjamin Gallant llevaron a cabo estudios a nivel atómico de estructuras de vidrio modificadas y experimentos de espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) de estado sólido de alta temperatura en la instalación de RMN de estado sólido de alto campo del Reino Unido.
Su trabajo revela cómo los iones de sodio se agregan a la red de vidrio y debilitan algunas conexiones dentro de la estructura.
El modelado de IA revela cambios a nivel atómico
Otro equipo de Birmingham, dirigido por el profesor Andrew Morris y el Dr. Mario Ongiko, utilizó modelos computacionales impulsados por IA para ayudar a interpretar datos complejos de RMN. Las simulaciones asistidas por aprendizaje automático mostraron cómo el sodio interactúa con el vidrio a nivel atómico, lo que confirma los resultados experimentales.
Los resultados experimentales y computacionales combinados mostraron que el sodio hace más que simplemente ocupar el espacio vacío dentro del material. En cambio, algunos átomos de sodio reemplazan a los átomos de zinc, aflojando un poco la estructura del vidrio y cambiando sus propiedades.
Ahora que los científicos comprenden mejor cómo modificar estos materiales, los investigadores dicen que se necesita trabajo adicional para mejorar su estabilidad, predecir con mayor precisión su comportamiento y evaluar su desempeño en tecnologías del mundo real.
En el estudio participaron investigadores de la Technische Universität Dortmund, la Universidad de Birmingham, la Ruhr-Universität Bochum, la SRM University-AP, la Universidad Técnica de Munich y la Universidad de Cambridge.
