Cuando los químicos o ingenieros quieren hacer un nuevo tipo de material, se dirigen al laboratorio y comienzan a "cocinar". Al igual que tratar de mejorar una receta de comida, el proceso implica probar nuevos ingredientes químicos o ajustar los tiempos y temperaturas de cocción.Pero, ¿qué pasaría si en lugar de depender de un proceso que lleva mucho tiempo sin garantías de éxito, los científicos simplemente podrían "juntar" diferentes "piezas" químicas para crear algo nuevo?
En un estudio publicado en el Revista de la Sociedad Americana de Química , un equipo de investigadores de la Universidad de Pensilvania, la Universidad de Nebraska-Lincoln UNL, la Escuela de Minas de Colorado y el Instituto de Tecnología de Harbin, en China, describe un nuevo enfoque para sintetizar "Legos" orgánicos que puede ser fácilmenteconectado para hacer nuevos materiales. Este marco crea estructuras que son livianas, porosas y rápidas de sintetizar y modificar fácilmente para crear nuevos materiales con propiedades únicas.
El estudio se centra en una estructura relativamente nueva conocida como estructuras orgánicas covalentes, o COF. Los COF son sólidos orgánicos en 2D y 3D unidos con fuertes enlaces covalentes. Los COF tienen estructuras cristalinas hechas de elementos ligeros como carbono, nitrógeno y oxígeno.haciéndolos livianos y duraderos. Al igual que las piezas individuales de Lego, los bloques de construcción químicos individuales se pueden ensamblar de formas definidas para formar una estructura más grande que se puede planificar con gran detalle en lugar de poner los componentes en una mezcla y ver qué sale.
Los bloques de construcción específicos utilizados en este estudio se conocen como porfirinas, una familia de estructuras orgánicas que se encuentran en proteínas como la hemoglobina y la clorofila. Estas estructuras incluyen un átomo de metal en su centro, y los investigadores desearían usar este átomo reactivo para crear COFmateriales con propiedades mejoradas. Pero a pesar de la gran cantidad de aplicaciones potenciales, que van desde el almacenamiento de hidrógeno hasta la captura de carbono, estos tipos de COF tienen limitaciones prácticas. La fabricación de COF es un proceso lento, y puede llevar varios días crear un gramo de materialLos métodos existentes también solo pueden hacer COF en forma de polvo, lo que los hace mucho más difíciles de procesar o transferir a otros materiales.
Con el equipo de UNL utilizando su experiencia en electropolimerización, un método para controlar la síntesis de polímeros en un sustrato que conduce electricidad, los investigadores descubrieron que podían usar electricidad para crear películas delgadas de COF. El material resultante, láminas 2D apiladas en múltiples capas, es liviano y tolerante al calor y lleva horas sintetizar en lugar de días. "Este método es rápido, simple y económico, y permite la deposición de una película delgada sobre una variedad de sustratos conductores", dice Elham Tavakoli, quien dirigió el estudio.con su compañero estudiante de posgrado de la UNL Shayan Kaviani bajo la supervisión del profesor asistente Siamak Nejati. "A través de este enfoque, podemos evitar los desafíos comunes con la síntesis de COF a través del método solvotermal convencional".
Sin embargo, después de estudiar la estructura de los COF depositados con más detalle, los investigadores encontraron algo que no podían explicar: las distancias entre capas, o la distancia entre las láminas 2D, eran mucho más grandes de lo esperado. Los experimentadores entoncesrecurrió a químicos teóricos en Penn para determinar qué estaba pasando.
Después de intentar crear un modelo teórico que describiera con precisión la estructura del COF, el postdoc Penn Arvin Kakekhani se dio cuenta de que algo faltaba en su modelo. Kakekhani estudió la lista de todos los productos químicos utilizados en el proceso de síntesis del COF para ver si alguno de elloslos aditivos podrían explicar sus resultados inesperados. Los investigadores se sorprendieron al encontrar que una molécula "espectadora", una que pensaban que solo proporcionaba el entorno electroquímico necesario para que ocurriera la reacción, era un componente esencial de la estructura del COF.
La idea de que una molécula como la piridina, una molécula orgánica pequeña con una estructura de anillo simple, puede ayudar a formar cristales no es un concepto nuevo en química, pero no se pensó que fuera importante para la estructura de COF antes de este estudio. Ahora,Los investigadores tienen una mejor comprensión de cómo este espectador encaja perfectamente dentro de las capas 2D y proporciona el apoyo necesario para que los COF formen una estructura cristalina. "Estas moléculas de piridina más pequeñas realmente entran en el material y se convierten en parte del cristal", dice Kakekhani..
Este nuevo enfoque es ahora un punto de partida para crear numerosos tipos de materiales. Al cambiar las condiciones de reacción y los tipos de bloques de construcción de COF utilizados y al reemplazar la piridina con otra molécula pequeña, las oportunidades para crear nuevos materiales con propiedades únicas sonsin fin. "Los COF no son tan viejos, por lo que tienen muchos puntos por descubrir", dice Tavakoli. "Estoy ansioso por encontrar más de estos mitos en este campo".
En el corto plazo, los investigadores esperan ajustar las propiedades catalíticas de los COF sintetizados y desarrollar catalizadores aislados en el sitio, sustancias que aumentan la velocidad de una reacción química que son componentes esenciales de los procesos industriales ". Nuestro COF actual tiene reactividad química, pero eso se puede aumentar considerablemente mediante pequeñas modificaciones ", dice Andrew M. Rappe, profesor de química de Blanchard en la Facultad de Artes y Ciencias de Penn." Nuestro equipo puede tomar una plataforma y hacer muchos materiales con diferentes funcionalidades, todos basados en el trabajoreportado aquí "
"Prevemos que la plataforma desarrollada nos permitirá diseñar y realizar muchas interfaces funcionales aún no exploradas. Se puede imaginar una amplia gama de aplicaciones, tales como separación de alta selectividad y catálisis eficiente, para estos sistemas", dice Nejati.
Kakekhani enfatiza que el trabajo también muestra la importancia de que los teóricos y experimentales trabajen en estrecha colaboración. "No se trataba solo de tener algo que coincida con sus datos", dice, "sino de generar una idea que pueda hacer estos materialesmejor. Se necesitan dos para bailar el tango, y si encontramos una manera de usar la visión del otro, hay espacio para descubrir cosas nuevas ".
Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation Grant ECCS-1542182 y la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. Grant DE- SC0019281.
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Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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