Potencia al vacío: materiales nanoporiosos para construir el futuro

De la cobertura de COA en la aplicación de medicamentos, los materiales porosos se convierten en elementos esenciales en una amplia gama de aplicaciones. Entre ellas se encuentran estructuras orgánicas metálicas, o MOF, tipo de cristales obtenidos de nanotecnología, asociaciones y moléculas orgánicas altamente porosas y formadas.

La cuchara de estos cristales podría cubrir el área de todo el campo de fútbol. Su estructura ajustable y una enorme superficie interna los hacen especialmente prometedores en áreas como el almacenamiento y la catálisis.

Sin embargo, todavía hay una brecha significativa en nuestra comprensión de la interfaz MOF dentro del compuesto, es decir, limitaciones entre metal y piezas orgánicas. Estas interfaces se estudian con herramientas de software que aún tienen ciertas restricciones para caracterizar precisas y descubrir estos materiales únicos y complejos.

Inspiración en la naturaleza

La utilidad de los materiales porosos se puede notar en nuestro entorno. La madera es posible transportar agua y nutrientes desde la raíz hasta las hojas de madera gracias a las propiedades porosas, que también proporcionan una mayor resistencia y flexibilidad.

La estructura porosa de las esponjas naturales les permite filtrar agua y dibujar nutrientes. Del mismo modo, los materiales porosos como el coral crean hábitats que apoyan una amplia selección de la vida marina. Mientras tanto, las rocas porosas, como piedra caliza o dolomitas, facilitan la acumulación y el flujo de líquido, incluidos el aceite, el agua e incluso el gas natural, dentro de su formación.

Esta capacidad de acumular y distribuir líquidos en eso, de lo contrario sería material sólido, también es una de las propiedades más relevantes de los materiales porosos en el cuerpo humano. El hueso es un ejemplo clave de material poroso natural. Sin esta característica esencial, el flujo sanguíneo y los nutrientes que mantienen huesos vivos y sanos no serían posibles.

Aergeles, Zeolitas y MOF

El material se considera poroso cuando contiene pequeños agujeros o espacios vacíos en su estructura, conocido como poros. El tamaño de estos poros puede diferir de nanómetro a micrómetros. Algunas de las categorías más valiosas de materiales porosos son Aerogeli, Zeolite y nuestra Julia principal, MOF.

Aergeles: son materiales ultralucht con propiedades excepcionales del aislamiento térmico. El interior del frío cósmico protege el interior de la nave espacial. En el suelo, nuestros edificios aislados, manteniéndolos cálidos y frescos en verano.

Zeolita: son aluminio de aluminio cristalino, compuestos químicos básicos debido a su abundancia, versatilidad y más aplicaciones en construcción, vidrio, cerámica y diversas industrias tecnológicas. Son ampliamente utilizados como adsorbentes y catalizadores comerciales. Su estructura porosa, que forma una red de átomo de silicio, aluminio y oxígeno, actúa como un tamiz que filtra no deseado.

MF: Son materiales cristalinos que formaron la unión de Jons o grupos de metal con ligandos orgánicos. Su estructura porosa proporciona grandes áreas para el almacenamiento y la separación de gases y son valiosos debido a su capacidad para absorber selectivamente gases en sus poros.

Los MF tienen un gran potencial para transformar sectores que van desde el almacén de energía hasta la recuperación ambiental. Sin embargo, son complejos y su comportamiento depende de la conexión sensible entre el metal y los componentes orgánicos.

El papel clave de la ingeniería fronteriza

En el campo de la innovación en materiales, materiales porosos y una revolución adicional de múltiples industrias gracias a su superficie de alta específica, estructuras ajustables y excepcionales de las estructuras de las corporaciones. Estas características las hacen muy valiosas en aplicaciones como el almacenamiento de gas y energía, así como la captura de carbono.

Uno de los progresos más prometedores en esta área es la integración de MF con polímeros, que crea compuestos de polímero MF. Los polímeros son grandes moléculas que formaron la unión de unidades simples llamadas monómeros. Los materiales híbridos que resultan en la combinación de cristales de MF combinan oportunidades de adsorción y selectividad inigualables con flexibilidad y procesamiento de polímeros.

El factor clave que determina el rendimiento de estos compuestos es la interfaz MF-Polemero. Esta región afecta la estabilidad mecánica, el transporte de calor y la eficiencia general en aplicaciones del mundo real. Pequeñas variaciones en la estructura de la interfaz pueden afectar significativamente las propiedades macroscópicas, como la resistencia mecánica, la conductividad iónica y la resistencia térmica.

Optimización de estas interfaces, los investigadores pueden adaptar el comportamiento material para cumplir con ciertos requisitos industriales. En los últimos años, el trabajo en este campo es especialmente relevante en la separación de gases.

A la cabeza de esta investigación, el compuesto político MF es el proyecto M43, financiado por los procedimientos de Marie Skłodovska-Curie (MSCA), y actualmente se encuentra en el Instituto de Materiales IMDE.

Para obtener una comprensión más profunda de los fenómenos interfaciales, los equipos de IMDEA detrás del proyecto han desarrollado un proceso automatizado para generar estructuras interfaciales virtuales dentro de los compuestos políticos de MF. Estos modelos de computadora permiten a los investigadores explorar las interacciones de la interfaz, simular el comportamiento vibratorio y analizar los mecanismos de transmisión de calor.

A través de modificaciones de interfaces, el equipo ha demostrado que incluso los ajustes pequeños pueden causar cambios significativos en las propiedades del material, desde una mayor resistencia mecánica hasta una mejor conductividad térmica.

Estos hallazgos enfatizan el papel crucial de la ingeniería de interfaz en la optimización de los compuestos de polímero MF para aplicaciones de alto rendimiento. A medida que avanza la investigación, los materiales de IMDEA todavía se dedican a mejorar estos compuestos, garantizando su gran sostenibilidad de la energía limpia, la sostenibilidad ambiental y las soluciones tecnológicas avanzadas.