03.03.2020 - Kyoto University

Los nuevos materiales del estado del MOF

Hacia los vidrios y líquidos funcionales

Los marcos metal-orgánicos (MOF) son materiales cristalinos y porosos que pueden atrapar compuestos dentro de sus cavidades moleculares, lo que les da una amplia gama de aplicaciones en el almacenamiento y separación de gases, la captura de carbono y en la catálisis de reacciones químicas, entre otras. Se está investigando una nueva gama de aplicaciones convirtiendo los MOF cristalinos en estados líquidos y/o vítreos.

"Los MOF son una clase de material relativamente nueva, y la mayoría de los desarrollados en los últimos 20 años están en estado cristalino", dice Satoshi Horike, un científico de materiales del Instituto de Ciencias Integradas de Materiales Celulares (iCeMS) de la Universidad de Kyoto. "Recientemente, hemos encontrado vidrio no cristalino o estados líquidos en los MOF y proponemos que tienen un gran potencial como materiales futuros."

Horike revisó los últimos avances y perspectivas en el campo, junto con el químico de materiales Susumu Kitagawa y sus colegas de la revista Angewandte Chemie International Edition.

Se han sintetizado decenas de miles de MOFs desde que fueron descubiertos por primera vez a finales de los años 90. Los avances tecnológicos permiten ahora a los investigadores descubrir lo que ocurre a nivel molecular cuando algunos MOF se calientan hasta un punto de fusión y luego se enfrían para producir un estado similar al del vidrio. Hasta ahora, los investigadores han reportado cerca de diez MOF que pueden ser derretidos en un líquido y/o convertidos en un estado de vidrio. Sus temperaturas de fusión van de 184°C a 593°C, dependiendo de sus estructuras cristalinas.

Cuando este tipo de MOF se calienta, sus iones metálicos y ligandos orgánicos comienzan a tambalearse dentro de los cristales a medida que el material se derrite. Las distancias de unión en sus cadenas de polímeros también se alargan a medida que las temperaturas continúan aumentando. La estructura del estado cristalino de un MOF está muy ordenada. El estado de vidrio tiene un "orden de rango medio", donde las conexiones se rompen pero las porciones de la estructura extendida permanecen generalmente en su lugar. Una fragmentación molecular mucho mayor se produce cuando un MOF alcanza el estado líquido, pero parte de su estructura interna conserva un elemento de conectividad.

No todos estos MOF pueden ser transformados en vidrio enfriando su estado líquido. Algunos requieren un tratamiento mecánico de molienda para que se forme el vidrio. Durante este proceso, la adición de ciertas sustancias químicas al material podría modular algunas de sus propiedades físicas, como el aumento de la conductividad de los protones.

Los MOF líquidos y de vidrio podrían proporcionar un nuevo estado de material que demuestre la porosidad, la conductividad de los iones y las propiedades ópticas como la luminiscencia. También son prometedores para el almacenamiento de calor, en dispositivos de energía, y para la permeabilidad de gas. Los materiales híbridos que incorporan MOF de vidrio o líquidos con otros materiales, como polímeros orgánicos, partículas metálicas o iones metálicos, podrían utilizarse como adhesivos fuertes en dispositivos de energía o en reacciones catalíticas.

Los investigadores sugieren que los científicos deberían volver a visitar la enorme biblioteca disponible para los MOF cristalinos desde el punto de vista del cambio de fase a líquido y/o vidrio. Hacerlo podría llevar al diseño de nuevos materiales funcionales.

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