Nuevos materiales de vidrio hechos de componentes orgánicos e inorgánicos

El equipo de investigación de Jena y Cambridge desarrolla materiales de vidrio con nuevas combinaciones de propiedades

18.11.2020 - Alemania

Los vínculos entre los materiales orgánicos e inorgánicos son un fenómeno común en la naturaleza, por ejemplo, en la construcción de huesos y estructuras óseas. A menudo permiten combinaciones de propiedades que no podrían lograrse con un solo tipo de material. Sin embargo, en el desarrollo tecnológico de materiales, estos llamados materiales híbridos siguen representando un gran desafío hoy en día.

Una nueva clase de materiales de vidrio híbridos

Investigadores de las Universidades de Jena (Alemania) y Cambridge (GB) han logrado crear una nueva clase de materiales de vidrio híbridos que combinan componentes orgánicos e inorgánicos. Para ello, los científicos utilizan combinaciones especiales de materiales en los que se pueden generar enlaces químicos entre vidrios organometálicos e inorgánicos. Incluyen materiales compuestos de redes organometálicas - los llamados marcos metálicos-orgánicos (MOFs) - que recientemente han estado experimentando un rápido incremento en el interés de la investigación. Esto se debe principalmente a que sus estructuras de marco pueden crearse de manera selectiva, desde la escala de longitud de las moléculas individuales hasta unos pocos nanómetros. Con ello se logra un control de la porosidad que puede adaptarse a un gran número de aplicaciones, tanto en lo que respecta al tamaño de los poros y su permeabilidad como a las propiedades químicas que prevalecen en las superficies de los poros. Por ejemplo, se pueden diseñar membranas de separación o dispositivos de almacenamiento para gases y líquidos, soportes para catalizadores o nuevos tipos de componentes para dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica.

"El diseño químico de los materiales MOF sigue un principio modular, según el cual los nodos inorgánicos se conectan entre sí mediante moléculas orgánicas para formar una red tridimensional. Esto da como resultado una variedad casi infinita de estructuras posibles. Algunas de estas estructuras pueden convertirse en estado vítreo mediante tratamiento térmico. Mientras que los materiales MOF cristalinos se sintetizan típicamente en forma de polvo, los estados líquido y vítreo abren una amplia gama de opciones de procesamiento y formas potenciales", explica Louis Longley de la Universidad de Cambridge, Reino Unido.

Lo mejor de ambos mundos combinados

"La combinación de tales vidrios derivados de MOF con los clásicos materiales inorgánicos de vidrio podría hacer posible la combinación de lo mejor de ambos mundos", dice Courtney Calahoo, un científico senior de la Cátedra de Química del Vidrio de la Universidad Friedrich Schiller de Jena, Alemania. Por ejemplo, los vidrios compuestos de este tipo podrían mejorar significativamente las propiedades mecánicas combinando la resistencia al impacto y a la fractura de los plásticos con la alta dureza y rigidez de los vidrios inorgánicos. El factor decisivo para garantizar que los materiales involucrados no se mezclen simplemente unos con otros es la creación de una zona de contacto dentro de la cual se puedan formar enlaces químicos entre la red organometálica y el vidrio convencional. "Sólo así se pueden obtener propiedades realmente nuevas, por ejemplo en la conductividad eléctrica o la resistencia mecánica", explica Lothar Wondraczek, profesor de química del vidrio en Jena.

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Publicación original

L. Longley, C. Calahoo, R. Limbach, Y. Xia, J. M. Tuffnell, A. F. Sapnik, M. F. Thorne, D. S. Keeble, D. A. Keen, L. Wondraczek, T. D. Bennett; "Metal-organic framework and inorganic glass composites"; Nature Communications 11 (2020)

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