A veces, los poros o agujeros en la estructura molecular de una sustancia química aparecen sólo bajo ciertas condiciones o en presencia de otras moléculas “huéspedes”. Esto afecta al campo de separación, uno de los procesos más importantes de la industria, pero los investigadores apenas están comenzando a desentrañar el fenómeno.
Los investigadores han explorado cómo una sustancia química concreta puede atrapar selectivamente moléculas específicas en cavidades de su estructura, aunque no tenga dichas cavidades en condiciones normales. Estos materiales innovadores con agujeros que ahora ves y ahora no podrían conducir a métodos más eficientes para separar y capturar sustancias químicas en toda la industria.
Se publicó un estudio que describe los hallazgos de los investigadores. Comunicaciones de la naturaleza El 27 de septiembre
Separar un tipo de sustancia de otro puede parecer sencillo como tema de investigación científica, pero las técnicas de separación son esenciales en toda la economía porque la mayoría de las cosas, ya sean naturales o artificiales, empiezan siendo impuras. Desde minerales metálicos de rocas no deseadas en el campo minero hasta el reciclaje de un material en otro, la entrega de medicamentos, la remediación ambiental y el almacenamiento de gas, la separación es el corazón de la innovación industrial y los investigadores siempre la han seguido. Encontrar mejores formas de hacerlo.
En los últimos años, ha habido un mayor interés en producir materiales sintéticos con poros (pequeños agujeros) dentro de las propias moléculas. Estos poros tienen tamaños, formas y otras propiedades químicas específicas y sólo unos pocos compuestos tienen propiedades de “poro”. Piense en el clásico juguete de banco y martillo para niños pequeños, con clavijas de madera cuadradas, circulares, triangulares y en forma de estrella que pueden caber en el mismo agujero del banco. Pero en este caso, el ajuste en un poro determinado depende de muchas más características que solo la forma de la clavija del niño, lo que permite que ciertos poros sean más selectivos para ciertos materiales que otros, lo que los químicos llaman “selectividad” de “encapsulación molecular”. o simplemente encapsulación selectiva.
Estos materiales porosos sintéticos de interés para los químicos especializados en encapsulación selectiva incluyen palabras de moda como estructuras organometálicas, estructuras orgánicas covalentes, estructuras orgánicas unidas por enlaces de hidrógeno y zeolitas. Pero recientemente, un material en particular ha despertado el interés de estos investigadores: los cristales moleculares macrocíclicos. Se trata de sólidos formados por grandes moléculas que contienen un determinado número de átomos, entre los que a menudo se incluyen elementos como el carbono, el nitrógeno o el oxígeno, dispuestos en un anillo. El interior de este anillo -normalmente- forma una cavidad o poro donde sólo “encajan” determinadas sustancias.
Además de eso, existen tipos de cristales moleculares macrocíclicos donde los poros sólo aparecen bajo ciertas condiciones como calor o presión o la presencia de otras moléculas “invitadas”. El resto del tiempo no hay poro. El tipo de cavidad que se ve ahora se llama “poro latente”.
“Al diseñar materiales con poros latentes, podemos crear potencialmente sistemas que respondan dinámicamente a los cambios ambientales, aumentando su funcionalidad y selectividad”, dijo el autor principal del estudio y Escuela de Graduados Avanzado Takaharu Hino, científico de materiales en Ciencia e Ingeniería. “El problema es que hasta ahora no siempre sabíamos por qué se producía este retraso”, afirmó el Dr.
Para investigar lo que estaba pasando, los investigadores de Hiroshima optaron por observar más de cerca un tipo particular de cristal molecular macrocíclico con poros latentes: el tris(fenilsoxazol)benceno plano. En este caso, la forma circular en su corazón proviene del anillo de benceno, y se llama plano porque se presenta en formas de laminación tabular delgada. Lo eligieron para la investigación porque otras opciones implican moléculas mucho más grandes, pero el tris(fenilsoxazol)benceno plano es una molécula plana simple. Ya se utiliza en la producción de semiconductores orgánicos, diodos emisores de luz (LED) y otras aplicaciones industriales probadas.
Querían investigar la capacidad de los poros latentes de la sustancia para separar dos formas diferentes de deterioro. También conocido como decahidronaftaleno, es un líquido incoloro a temperatura ambiente que se utiliza a menudo como disolvente y en la fabricación de diversas resinas y polímeros.
También viene en dos estructuras diferentes: el mismo número de átomos, pero dispuestos de manera diferente. Existe la cis-decalina, donde un grupo de átomos de hidrógeno y carbono están en el mismo lado de la molécula, y también la trans-decalina, donde los átomos de hidrógeno y carbono están en lados opuestos. Esto cambia las propiedades físicas y químicas de la declinación y, por tanto, convierte a la sustancia en una buena candidata para explorar la encapsulación selectiva.
Utilizaron dos tipos de análisis de difracción de rayos X para explorar el proceso de encapsulación tal como ocurría. En esta forma de investigación, los rayos X se dirigen al objeto de interés y los ángulos en los que se dispersan los rayos indican a los investigadores la disposición de los átomos del objeto.
Lo que descubrieron fue que el tris(fenilsoxazol)benceno plano era un excelente selector, encapsulando correctamente una forma de declinación 96 de cada cien veces. También descubrieron que eran las fuerzas intermoleculares que afectaban a la sustancia (las diversas interacciones entre moléculas que eran más fuertes pero aún más débiles que los átomos dentro de las moléculas) las que contribuían a la estabilidad del poro y a sus opciones sobresalientes determinadas. Otros materiales pueden ser porosos y selectivos, pero no son lo suficientemente estables para uso industrial. Esta sustancia cumple todos los requisitos de encapsulación selectiva.
Esta prueba de concepto particular podría usarse en una amplia gama de aplicaciones, como captura de gas, separación de petróleo y eliminación de oligoelementos del agua, pero los investigadores querían encontrar funciones de encapsulación únicas que solo pudieran lograrse mediante latentes. Se pueden obtener poros.
Y esta química “supramolecular” de los poros latentes sigue teniendo mucho territorio por explicar. Los investigadores sienten que apenas están comenzando a mapear el área.
