Un antiguo truco químico revela un nuevo tipo de vidrio que atrapa CO2 y hidrógeno

Un equipo de investigadores logró adaptar una técnica química utilizada en la fabricación tradicional de vidrio para mejorar un material futurista conocido como vidrio de marco orgánico metálico (MOF). Este tipo de vidrio es valorado por su capacidad de atrapar gases como el dióxido de carbono y el hidrógeno, así como de capturar agua.

El equipo internacional, que incluyó científicos de TU Dortmund y la Universidad de Birmingham, reportó sus hallazgos en la revista Nature Chemistry el 4 de mayo. Su trabajo demostró que los vidrios MOF pueden ser ajustados y diseñados utilizando métodos similares a los que se han empleado durante siglos para el vidrio convencional.

Los investigadores descubrieron que la introducción de compuestos químicos pequeños que contienen sodio o litio modifica tanto la estructura como el comportamiento del material. Estos aditivos reducen la temperatura a la que el vidrio se ablanda y facilitan su flujo al ser calentado, lo que podría simplificar el proceso de fabricación.

Este descubrimiento crea un nuevo marco para el diseño de vidrios MOF personalizados para tecnologías avanzadas. Las aplicaciones potenciales incluyen separación de gases, almacenamiento químico, recubrimientos avanzados y sistemas de energía limpia.

El Dr. Dominik Kubicki de la Universidad de Birmingham comentó: "El vidrio ha sido parte de la civilización humana durante milenios. Desde la antigua Mesopotamia hasta los modernos cables de fibra óptica, pequeñas cantidades de modificadores químicos facilitan el procesamiento del vidrio y alteran sus propiedades funcionales".

Sin embargo, los vidrios MOF solo se ablandan a altas temperaturas, superiores a los 300 °C, cerca de su temperatura de degradación, lo que dificulta su fabricación y limita su uso. Este descubrimiento abre nuevas posibilidades para futuros materiales de alto rendimiento.

Cambio de estructura del vidrio MOF

Uno de los vidrios MOF más conocidos es el ZIF-62, un material poroso que puede ser fundido y enfriado en un vidrio mientras conserva algunos de sus poros internos. Estos poros lo hacen útil para aplicaciones como separación de gases, membranas y catálisis.

El profesor Sebastian Henke de la Universidad TU Dortmund explicó: "Nuestro enfoque se inspira en cómo se han modificado los vidrios silicatados convencionales: interrumpiendo la estructura de red para ajustar el comportamiento de fusión y las propiedades mecánicas".

El estudio demostró que el mismo principio puede transferirse a los vidrios híbridos orgánico-metálicos. Este avance acerca a los vidrios MOF a la fabricación real y a aplicaciones en separación de gases, almacenamiento, catálisis y más.

Para comprender exactamente cómo los aditivos de sodio alteraron el material, los investigadores utilizaron técnicas de análisis avanzadas. Los científicos de la Universidad de Birmingham, liderados por los doctores Dominik Kubicki y Benjamin Gallant, realizaron estudios a nivel atómico de la estructura del vidrio modificado y llevaron a cabo experimentos de espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) en estado sólido a alta temperatura en el UK High-Field Solid-State NMR Facility.

Su trabajo reveló cómo los iones de sodio se integran en la red del vidrio y debilitan algunas de las conexiones internas de la estructura.

Modelado por IA revela cambios a nivel atómico

Otro equipo de Birmingham, dirigido por el profesor Andrew Morris y el Dr. Mario Ongkiko, utilizó modelado computacional impulsado por IA para ayudar a interpretar los complejos datos de RMN. Las simulaciones asistidas por aprendizaje automático mostraron cómo el sodio interactuó con el vidrio a nivel atómico, confirmando los resultados experimentales.

Los hallazgos experimentales y computacionales combinados demostraron que el sodio no solo ocupa espacios vacíos dentro del material, sino que algunos átomos de sodio reemplazan a los átomos de zinc, aflojando ligeramente la estructura del vidrio y cambiando sus propiedades.

Ahora que los científicos comprenden mejor cómo modificar estos materiales, los investigadores señalaron que se necesita trabajo adicional para mejorar su estabilidad, predecir su comportamiento con mayor precisión y evaluar su rendimiento en tecnologías del mundo real.

El estudio involucró a investigadores de la Technische Universität Dortmund, la Universidad de Birmingham, la Ruhr-Universität Bochum, la SRM University-AP, la Universidad Técnica de Múnich y la Universidad de Cambridge.

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