Los materiales que pueden fabricarse con toda la familia de metales de las tierras raras pueden ser la clave para hacer frente a la contaminación por dióxido de nitrógeno y dióxido de azufre (NO2 y SO2), responsable de la lluvia ácida.
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Utilizando una base de REE, los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, el Laboratorio Nacional de Sandia y la Universidad de Tennessee, en Knoxville, se han propuesto encontrar marcos metal-orgánicos o MOF, que puedan detectar y atrapar eficazmente los gases ácidos.
En un artículo publicado en la revista ACS Applied Materials and Interfaces, los 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 jaulas metálicas diminutas e interconectadas. Actúan como una esponja que puede adherir, o absorber, moléculas a su superficie.
Los investigadores que estudian los MOF de tierras raras utilizaron simulaciones por ordenador y una combinación de experimentos de dispersión de neutrones y rayos X para ayudarles a determinar las condiciones óptimas para sintetizar los materiales. En el proceso, también descubrieron detalles importantes sobre un interesante defecto que se forma en los MOF y que, según dicen, podría ser útil en la construcción de dispositivos para capturar emisiones o detectar niveles peligrosos de gases tóxicos.
“Los marcos metal-orgánicos son realmente novedosos por su flexibilidad, su química y la forma en que se puede adaptar su estructura. Si se cambian las moléculas orgánicas, se puede ajustar la estructura para que se dirija a diferentes gases”, explica Susan Henkelis, autora principal del estudio, en un comunicado de prensa. “Los gases ácidos suelen proceder de los procesos de combustión, por lo que esta investigación podría ser útil para desarrollar dispositivos que ayuden a limitar las emisiones de las instalaciones industriales a gran escala, como las refinerías de petróleo y las centrales eléctricas basadas en combustibles fósiles”.
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Comprensión de los MOF
Según Henkelis y sus colegas, uno de los primeros pasos de la investigación es comprender cómo se forman los enlaces atómicos en los MOF y cómo se disponen los átomos.
Idealmente, las jaulas del interior de cada MOF sintetizado forman un cubo. Cada esquina contiene un grupo de seis iones metálicos de tierras raras con otro grupo en el centro del cubo. Cada par de iones metálicos del clúster se conecta con otro par de otro clúster mediante un único enlace o molécula enlazadora.
Pero a veces se produce un defecto, sobre todo en los MOF hechos con iones de europio, en los que el enlazador se retuerce y deja al descubierto el ion de tierras raras, lo que aumenta la probabilidad de que una molécula contaminante quede atrapada dentro de la estructura.
Para averiguar por qué ocurre esto, los investigadores utilizaron una combinación de experimentos de dispersión de neutrones y rayos X para cartografiar las estructuras atómicas de los materiales.
Utilizaron los rayos X para encontrar los elementos metálicos pesados, lo que proporcionó un esquema de la estructura general. Y, para comprender mejor cómo están dispuestas 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 se formaban más rápidamente que sus homólogos sin defectos. También descubrieron que los defectos podían inducirse intencionadamente ajustando las temperaturas y el tiempo de crecimiento de los materiales cristalinos.
A continuación, el equipo utilizó los datos estructurales obtenidos en los experimentos para realizar simulaciones por ordenador y ver cómo cada uno de los materiales -con y sin defectos- interactuaba con los gases tóxicos NO2 y SO2.
“Aunque estos nuevos conocimientos se sitúan en el ámbito de la investigación básica, podrían tener una gran repercusión en el futuro”, afirma Tina Nenoff, autora correspondiente del estudio. “Aprendimos nueva información sobre cómo se forman estos materiales, que podemos utilizar para controlar y diseñar MOFs con más especificidad. Y además, desarrollamos un enfoque exhaustivo 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.”
