Los materiales que se pueden fabricar a partir de toda la familia de metales de tierras raras pueden ser la clave para abordar la contaminación por dióxido de nitrógeno y dióxido de azufre (NO2 y SO2), que es responsable de la lluvia ácida.
Usando una base REE, los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge, el Laboratorio Nacional Sandia y la Universidad de Tennessee, Knoxville, se han establecido para encontrar marcos organometálicos (MOF), que pueden detectar y atrapar gases ácidos de manera efectiva.
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En un papel publicado en la revista Interfaces y materiales aplicados de ACSlos científicos explican que el enfoque consiste en varias soluciones tecnológicas diseñadas para filtrar el aire capturando o atrapando los gases tóxicos de las emisiones y, en algunos casos, las moléculas capturadas también pueden almacenarse y reutilizarse.
Los MOF son esencialmente una matriz microscópica de átomos metálicos unidos entre sí por moléculas orgánicas que forman un patrón repetitivo de diminutas jaulas metálicas interconectadas. Actúan como una esponja que puede adherir o absorber moléculas en su superficie.
Los investigadores que observaron los MOF de tierras raras utilizaron simulaciones por computadora y una combinación de experimentos de dispersión de rayos X y neutrones para ayudarlos a determinar las condiciones óptimas para sintetizar los materiales. En el proceso, también descubrieron detalles importantes sobre un defecto interesante que se forma en los MOF que, según dicen, podría ser útil en la construcción de dispositivos para capturar emisiones o detectar niveles peligrosos de gases tóxicos.
“Los marcos orgánicos de metal son realmente novedosos en su flexibilidad, su química y cómo se puede adaptar su estructura. Si intercambia moléculas orgánicas, puede ajustar la estructura para apuntar a diferentes gases”, dijo Susan Henkelis, autora principal del estudio, en un comunicado de prensa.
“Los gases ácidos generalmente provienen de procesos de combustión, por lo que esta investigación podría ser útil para desarrollar dispositivos que ayuden a limitar las emisiones de instalaciones industriales a gran escala, como refinerías de petróleo y centrales eléctricas basadas en combustibles fósiles”.
Comprender los MOF
Según Henkelis y sus colegas, uno de los primeros pasos en la investigación es comprender cómo se forman los enlaces atómicos en los MOF y cómo se organizan los átomos.
Idealmente, las jaulas dentro de cada MOF sintetizado forman un cubo. Cada esquina contiene un grupo de seis iones de metales de tierras raras con otro grupo en el centro del cubo. Cada par de iones metálicos en el grupo se conecta a otro par en otro grupo por un solo enlace o molécula enlazadora.
Pero a veces ocurre un defecto, especialmente en los MOF hechos de iones de europio, donde el enlazador se tuerce y expone el ion de tierras raras, lo que aumenta la probabilidad de que una molécula contaminante quede atrapada dentro de la estructura.
Para descubrir por qué sucede esto, los investigadores utilizaron una combinación de experimentos de dispersión de rayos X y neutrones para mapear las estructuras atómicas de los materiales.
Usaron rayos X para encontrar los elementos de metal pesado, que proporcionaron un contorno de la estructura general. Y, para comprender mejor cómo se organizan las moléculas orgánicas, bombardearon los materiales con neutrones utilizando un instrumento llamado fuente de neutrones por espalación (SNS), que les ayudó a rastrear las posiciones de los átomos de hidrógeno, carbono y oxígeno que forman los enlaces moleculares entre los grupos de iones metálicos.
Los efectos de los defectos
A partir de los experimentos, el equipo pudo determinar que los materiales con defectos en realidad se formaron más rápidamente que sus contrapartes sin defectos. También descubrieron que los defectos podrían inducirse intencionalmente ajustando las temperaturas y el tiempo que lleva hacer crecer los materiales cristalinos.
Luego, el equipo usó los datos estructurales obtenidos de los experimentos para ejecutar simulaciones por computadora para ver cómo cada uno de los materiales, con y sin los defectos, interactuaba con los gases tóxicos NO2 y SO2.
“Si bien estos nuevos conocimientos están en el lado de la investigación básica, podrían tener un gran impacto en el futuro”, dijo Tina Nenoff, autora correspondiente del estudio.
“Aprendimos nueva información sobre cómo se forman estos materiales, que podemos usar para controlar y diseñar MOF con más especificidad. Y además, desarrollamos un enfoque integral para evaluar grandes series de MOF, lo que ayudará a acelerar el ritmo de búsqueda de nuevos materiales candidatos y su desarrollo en tecnologías útiles”.
