Los investigadores descifran el código: un truco molecular abre la puerta a una nueva generación de vidrio
Vidrios MOF con nuevas propiedades: una molécula orgánica altera la estructura de los enlaces durante la fusión
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Investigadores de la Universidad Técnica de Dortmund, la Universidad de Paderborn, la Universidad de Duisburg-Essen y la Universidad de Oxford han desarrollado un nuevo método para modificar de forma selectiva la estructura interna de determinados tipos de vidrio. El estudio, publicado en la revista «Nature Materials», muestra cómo la adición de una molécula orgánica durante la fusión provoca que los enlaces químicos del material se reorganicen. El proceso reduce la temperatura de procesamiento necesaria, evita que la sustancia se descomponga y permite ajustar con precisión las propiedades magnéticas y ópticas. Estos vidrios especializados se utilizan, entre otras cosas, en el almacenamiento de gas, las baterías, las aplicaciones ópticas y la catálisis.
Vidrios con propiedades especiales
«Hemos encontrado una forma de modificar químicamente la estructura de los vidrios derivados de los denominados compuestos de esqueleto metalorgánico —o MOF, por sus siglas en inglés— directamente durante el proceso de fabricación», explica el Prof. Dr. Sebastian Henke, de la Universidad Técnica de Dortmund, quien dirigió el estudio. Para lograrlo, los expertos utilizaron 1,10-fenantrolina. Esta molécula reduce el punto de fusión y, al mismo tiempo, altera la forma en que se unen entre sí los átomos metálicos del vidrio. La principal ventaja es que, de este modo, los investigadores pudieron desarrollar vidrios con propiedades magnéticas o emisoras de luz que antes eran imposibles de conseguir sin destruir el material mediante calor extremo.
El vidrio se transforma desde dentro mediante una modificación química
«Normalmente, el vidrio se forma cuando un líquido fundido se enfría rápidamente. La estructura sólida se consolida entonces sin que los átomos se dispongan en un patrón regular. Hasta ahora, los investigadores a menudo tenían que aceptar que la composición química de estos vidrios viniera dictada por el material de partida», explica el profesor Henke. El equipo ha demostrado ahora que esto no tiene por qué ser siempre así. Esto se debe a que los MOF consisten en núcleos metálicos unidos entre sí por compuestos orgánicos. Estas estructuras pueden modificarse de forma fundamental mientras se encuentran en estado líquido mediante la adición de fenantrolina. «Lo fundamental es que la molécula no se limita a actuar como relleno», continúa el profesor Henke. «Entra en reacción. Así pues, estamos modificando la composición química precisamente en el momento en que el material aún se encuentra en estado líquido».
La clave molecular
Los científicos mezclaron la fenantrolina con los materiales de partida antes de calentarlos. El aditivo cumple dos funciones a la vez: «Como fundente, la sustancia reduce la temperatura a la que se funde el material; como agente químico, la molécula se une directamente a los átomos metálicos y desplaza parcialmente los enlaces anteriores. En estado fundido, la molécula interfiere en lo que se conoce como entorno de coordinación. Este término describe cuántos vecinos rodean a un solo átomo. Dado que la nueva molécula se une con mayor fuerza a los centros metálicos, el número de vecinos aumenta», explica el profesor Henke. El proceso inicia una reestructuración completa de la red vítrea. Ajustando la dosis de la molécula, los investigadores pueden controlar el alcance de esta reestructuración.
Producción a menor temperatura, resultados más estables
Un efecto secundario práctico del proceso es la menor temperatura de fusión. De otro modo, muchos de los materiales estudiados se descompondrían antes de poder transformarse en vidrio. El calor extremo destruiría su estructura y produciría impurezas no deseadas. «Gracias a este truco molecular, el material se funde a temperaturas significativamente más bajas y se mantiene estable. Los estudios sobre vidrios que contienen cobalto han demostrado que este proceso más suave evita la formación de productos de descomposición nocivos», explica el Prof. Dr. Matthias Bauer, de la Universidad de Paderborn. Esto es especialmente importante para las propiedades funcionales: es la única forma de detectar los efectos magnéticos puros en el vidrio, que de otro modo habrían quedado enmascarados por las impurezas.
Las mediciones confirman la hipótesis
Se emplearon métodos de medición de alta resolución para demostrar que la estructura había cambiado efectivamente. Las técnicas convencionales de rayos X alcanzan aquí sus límites, ya que el vidrio ya no presenta una estructura cristalina regular. El profesor Bauer explica: «En su lugar, utilizamos, entre otras técnicas, la espectroscopia de absorción de rayos X. Este método nos permitió investigar el entorno inmediato de los átomos de cobalto». Los datos de las mediciones confirmaron la hipótesis: aunque los átomos conservan su estado químico (estado de oxidación), su entorno espacial cambia significativamente. Los enlaces con las moléculas vecinas se adaptan a la nueva molécula.
Del cristal al componente funcional
El estudio demuestra que el proceso no se limita a una única clase de materiales. Los investigadores también probaron con éxito su método en las denominadas estructuras de andamio basadas en carboxilatos. Esto amplía considerablemente las posibilidades de fabricación de los vidrios. El profesor Henke resume la importancia que esto tiene para el futuro: «La masa fundida ya no es un estado intermedio rígido. Se convierte en un espacio de reacción en el que podemos programar la estructura». Este control ofrece perspectivas para futuras aplicaciones. En el futuro, los vidrios organometálicos podrían utilizarse en catálisis, como sensores o en optoelectrónica. Dado que ahora es posible manipular de forma específica los centros metálicos, se abren nuevas vías para el desarrollo de componentes que controlen con precisión la luz, el magnetismo o las reacciones químicas.
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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