La simulación por computadora muestra un material estructural orgánico no metálico que consta de nodos de cloruro (verde) y enlaces amino y está plagado de poros grandes (amarillo; carbono en gris, hidrógeno en blanco, nitrógeno en violeta).Crédito: Megan O'Shaughnessy et al./naturaleza
el Materiales revolucionarios llamados estructuras metalorgánicas. He tomado la química por asalto. Su estructura altamente porosa los hace útiles en entornos desde el laboratorio hasta la fábrica, lo que ha llevado a los científicos a crear miles de variedades. Ahora, el equipo ha utilizado simulaciones por ordenador. Marcos de diseño Que omiten el metal y, en cambio, están hechos enteramente de sales orgánicas.1.
Los marcos a base de sal pueden ser más baratos de fabricar que sus homólogos MOF y pueden tener cualidades de las que carecen los marcos actuales. Las simulaciones ya han producido marcos basados en sal que pueden capturar objetos. Un contaminante producido en los residuos nucleares.
La investigación fue publicada el 22 de mayo. naturaleza.
Materiales estándar
Las estructuras metalorgánicas, o MOF, están construidas a partir de unidades en forma de jaula. Cada unidad está definida por iones metálicos o grupos que actúan como nodos, unidos por conductores sólidos a base de carbono (pensemos en los ejes y varillas de los juguetes de construcción o los andamios). Los espacios entre estos componentes pueden contener otras moléculas, por lo que los MOF se pueden utilizar para filtrar y separar sustancias químicas. Su construcción modular ha permitido a los científicos crear más de 90 mil especies.2 Esto impulsó el desarrollo de marcos similares hechos de otros materiales.
El aprendizaje automático acelera el proceso de fabricación de materiales porosos
Las estructuras hechas de sales, que son sustancias químicas que se mantienen unidas por atracción iónica entre componentes cargados positiva y negativamente, pueden tener propiedades físicas que difieren de las de los materiales porosos existentes. Otro beneficio es que la mayoría de las sales orgánicas se componen de abundantes elementos, por lo que no son necesarias. Metales raros o caros Se encuentra en muchos MOF..
Pero a pesar de los múltiples intentos de producir cristales de sal porosos en las últimas tres décadas, siguen siendo pocos y mucho menos estables que los MOF.
Esto se debe en parte a que es difícil diseñar estructuras de sal desde cero, afirma Graeme Day, químico de la Universidad de Southampton en el Reino Unido y coautor del último estudio. Los enlaces iónicos entre las partículas cargadas que forman los cristales de sal no siguen las mismas reglas geométricas que los enlaces metal-orgánicos básicos en los MOF y, por lo tanto, son mucho más variables. Esto significa que “es casi imposible predecir intuitivamente cómo se unirán los diferentes componentes de estos cristales”, dice Day.
Simulación de sales
Para abordar este desafío, Day, el químico Andy Cooper de la Universidad de Liverpool, Reino Unido, y sus colegas recurrieron a una técnica computacional llamada predicción de la estructura cristalina. Aplicaron esto para aprender a crear estructuras a partir de sales llamadas haluros de amonio, donde los enlaces cargados positivamente son moléculas de amina que contienen nitrógeno y los nodos cargados negativamente son iones de haluros como el cloruro o el bromuro.
Los investigadores adaptaron esta técnica para simular interacciones complejas entre nodos de haluros y diferentes tipos de enlaces de amonio. Esto permitió al equipo examinar virtualmente posibles marcos para identificar los mejores candidatos para intentar crearlos en el laboratorio.
Guiado por estos cálculos, el equipo se decidió por ligandos llamados TT, TTBT y TAPT, cada uno de los cuales tiene tres brazos que terminan en un grupo nitrógeno. Las simulaciones predijeron que estos enlaces formarían estructuras estables con poros específicos que variaban de tamaño dependiendo del tamaño del conector.
Instalación simple
Los investigadores fabricaron los compuestos mezclando soluciones del aglutinante elegido y añadiendo ácido clorhídrico o ácido bromhídrico, gota a gota, a temperatura ambiente. “Una vez que tuvimos la predicción, la instalación fue muy sencilla”, dice Cooper. Utilizando un conjunto de mediciones de alta resolución, el equipo confirmó que las estructuras cristalinas de los materiales compuestos coincidían con las disposiciones porosas altamente estables predichas por las simulaciones. Los investigadores llaman estructuras orgánicas a los materiales no metálicos.
Para explorar aplicaciones para estructuras orgánicas no metálicas, los investigadores probaron su capacidad para capturar yodo, una propiedad muy deseable, porque los desechos nucleares a menudo contienen yodo radiactivo. Descubrieron que el rendimiento de los tres materiales era tan bueno, si no mejor, que el de la mayoría de los MOF.
Tom Wu, químico computacional de la Universidad de Ottawa, dice que los experimentos de adsorción de yodo son evidencia convincente de cómo este tipo de material podría llegar a ser muy útil, especialmente teniendo en cuenta lo fácil que es fabricarlo.
k dice Travis Holman, químico y científico de materiales de la Universidad de Georgetown en Washington, D.C., dijo que los resultados demuestran una combinación de predicción computacional y síntesis que tiene un poder “incomparable”. Tanto Wu como Holman coinciden en que estos enfoques crean un nuevo medio para el diseño racional de estructuras de sal porosas y acelerarán el desarrollo de materiales.