19.11.2020 - Ruhr-Universität Bochum (RUB)

Los marcos metal-orgánicos se vuelven flexibles

Ciencia de los materiales: Los esfuerzos combinados de experimentación y simulación abren el camino a nuevas aplicaciones.

Los materiales compuestos por componentes inorgánicos y orgánicos pueden combinar lo mejor de dos mundos: bajo ciertas circunstancias, los llamados MOF - abreviatura de marcos metal-orgánicos - están estructurados en el mismo orden que los cristales y son al mismo tiempo porosos y deformables. Esto abre la perspectiva de materiales inteligentes para aplicaciones técnicas de ahorro de energía. Sin embargo, hasta ahora sólo se han identificado unos pocos MOF flexibles. Un equipo de investigación de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) y de la Technische Universität München (TUM) ha utilizado experimentos y simulaciones para averiguar por qué medios los MOF pueden ser flexibles y por qué: engañaron al sistema utilizando manipulaciones químicas inteligentes para permitir una variedad de disposiciones 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 esos materiales porosos híbridos. Hay grandes esperanzas en las aplicaciones técnicas, especialmente para los MOF flexibles. Como amortiguadores, por ejemplo, podrían reaccionar a una alta presión repentina cerrando sus poros y perdiendo volumen, es decir, deformándose plásticamente. O podrían separar sustancias químicas entre sí como una esponja absorbiéndolas en sus poros y liberándolas de nuevo bajo presión. "Esto requeriría mucha menos energía que el proceso de destilación habitual", explica Rochus Schmid. Sin embargo, hasta la fecha sólo se han identificado unos pocos MOF flexibles de este tipo.

MOFs bajo presión

Con el fin de llegar al fondo de los mecanismos subyacentes dentro de tales materiales, el equipo de Munich ha llevado a cabo un análisis experimental más detallado de un MOF ya ampliamente conocido. Para ello, los investigadores lo sometieron a una presión uniforme desde todos los lados, mientras observaban lo que ocurre en su 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 motriz de las transiciones de fase entre el estado de poro abierto y el de poro cerrado", dice Gregor Kieslich. El experimento demostró que la forma de poro cerrado no es estable; bajo presión el sistema pierde su orden cristalino, en resumen: se rompe.

Este no es el caso de una variante de la misma estructura básica: si el equipo fijó cadenas laterales flexibles de átomos de carbono a las piezas orgánicas de conexión del MOF que sobresalen en los poros, el material permaneció intacto cuando se comprimió y retomó su forma original 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 computacional y dinámica molecular. "Hemos demostrado que el secreto reside en los grados de libertad de las cadenas laterales, la llamada entropía", esboza Rochus Schmid. "Cada sistema en la naturaleza se esfuerza por tener la mayor entropía posible, para decirlo simplemente, el mayor número posible de grados de libertad para distribuir la energía del sistema."

"El gran número de posibles arreglos 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 desde la estructura de poros abiertos a la de poros cerrados y viceversa, en lugar de romperse cuando los poros se aprietan juntos como sería el caso sin los brazos de carbono". Para calcular un sistema tan grande compuesto de 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 la respuesta macroscópica de un material inteligente mediante un factor termodinámico. "Nuestros hallazgos abren nuevas vías para lograr específicamente transformaciones de fase estructurales en los MOF porosos", concluye Gregor Kieslich.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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