Vidrios fundidos a partir de compuestos no fundibles
Químicos de la Universidad de Jena están desarrollando una forma de fundir compuestos de marco metálico-orgánico normalmente no fundibles, los llamados MOF. Esto permite la producción por fusión de componentes de vidrio para aplicaciones en tecnología energética y medioambiental.
Vahid Nozari, de la Universidad de Jena, utiliza un microscopio para examinar el nuevo vidrio sintético, que consiste en un compuesto de marco metal-orgánico (MOF) no fusible.
Jens Meyer/Uni Jena
Los vidrios son una parte indispensable de la vida cotidiana. Una de las razones más importantes para ello es que los objetos de vidrio pueden fabricarse de forma casi universal y económica en una gran variedad de formas y tamaños utilizando sus correspondientes fundidos. El procesamiento en la fase líquida (viscosa) ofrece una versatilidad que difícilmente puede lograrse con otros materiales. Sin embargo, esto presupone que el material del que está hecho el vidrio en cuanto a su composición química pueda fundirse.
Los denominados compuestos de marco metálico-orgánico -en definitiva, los MOF- han despertado un gran interés en los últimos años. Debido a sus propiedades especiales, se considera que tienen un gran potencial para futuras aplicaciones en la tecnología energética y medioambiental, pero también como componentes de sensores y en las ciencias biológicas y de la vida. Por ejemplo, los MOF pueden utilizarse como materiales de partida para membranas de filtración para la separación de gases en procesos técnicos de combustión o para el tratamiento del agua. La base de la multitud de aplicaciones posibles es, sobre todo, una propiedad sobresaliente de los MOF: su elevada y ampliamente controlable porosidad. Las sustancias MOF consisten en partículas inorgánicas que están conectadas por moléculas orgánicas para formar una red de poros. Como los MOF se presentan predominantemente en forma de polvo, uno de los principales retos de este campo es producir componentes a granel. Aquí es donde entran en juego los vidrios.
Compromiso entre propiedades y procesabilidad
Pero, salvo algunas excepciones, la porosidad de todos ellos impide que los materiales sean fundibles y, por tanto, procesables en componentes de la forma deseada. Químicos de la Universidad Friedrich Schiller de Jena (Alemania) y de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) han encontrado ahora una solución a este problema. Los resultados de su investigación se publican en el número actual de "Nature Communications".
Para producir componentes para aplicaciones industriales a partir de MOF, se pueden procesar en los llamados vidrios híbridos, por ejemplo. Para ello, sin embargo, hay que fundirlos, un proceso que no es sencillo en este caso concreto. Hasta ahora, sólo se ha demostrado que un puñado de candidatos de esta clase de sustancias son fundibles. "En la mayoría de los materiales MOF conocidos, la alta porosidad es una de las razones por las que -al calentarse- se descomponen térmicamente antes de alcanzar su punto de fusión, es decir, se queman", explica Vahid Nozari, estudiante de doctorado del Laboratorio de Ciencias del Vidrio de la Universidad de Jena. Precisamente la propiedad que hace que estos materiales sean tan interesantes es la que también impide que se procesen por la vía del vidrio.
Identificación de combinaciones de líquidos iónicos, matrices de MOF y condiciones de fusión
Entonces, ¿cómo hacer que un material no fundible pueda fundirse para darle forma y procesarlo en su estado líquido? El equipo dirigido por el profesor de Jena Lothar Wondraczek ha encontrado una respuesta a esta pregunta. "Llenamos los poros con un líquido iónico que estabiliza la superficie interior de tal manera que la sustancia puede finalmente fundirse antes de descomponerse", explica Wondraczek. Los investigadores pudieron demostrar cómo sustancias normalmente no fundibles de la familia de los MOF de marcos de imidazolato zeolítico (ZIF) pueden pasar al estado líquido y, finalmente, al de vidrio. "De este modo, se puede obtener el componente deseado, por ejemplo, en forma de membrana o de disco. Los residuos del líquido iónico empleado pueden lavarse después de darles forma".
La clave para futuras aplicaciones son las interacciones que tienen lugar entre el líquido iónico y el material MOF. Éstas determinan la reversibilidad del proceso, es decir, la posibilidad de lavar el líquido auxiliar tras el proceso de fusión. Si las reacciones no se adaptan, o bien la superficie de los poros no se estabiliza adecuadamente o bien se produce una unión química irreversible entre el MOF y partes del líquido iónico. Por lo tanto, hay que identificar las combinaciones ideales de líquidos, materiales de la matriz y condiciones de fusión con vistas a la aplicación deseada, para que los objetos de gran volumen sean posibles.
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