Una mejor comprensión de las configuraciones de purificación ayudará a los científicos de materiales a desarrollar mejores sistemas de filtrado. Crédito:Panther Media GmbH / Alamy
Atrapar moléculas en superficies porosas de diseño personalizado se vuelve más fácil con un nuevo modelo que unifica las teorías anteriores de adsorción.
Muchas herramientas de purificación, desde simples filtros de carbón hasta complejas plantas de desalinización, dependen de sólidos con millones de poros diminutos para capturar y eliminar contaminantes sin unirse químicamente a ellos. Ahora, un equipo de KAUST ha identificado los factores clave que conectan la adsorción en diferentes tipos de superficies porosas, resolver problemas centenarios de predecir la absorción de sustancias desconocidas.
A principios de 1900, El concepto de isotermas de adsorción surgió para describir cómo se comportan los adsorbentes en presencia de cantidades de moléculas en constante aumento. Estos gráficos tienen formas distintas que dependen de las propiedades de la superficie a escala de átomo, por ejemplo, si las partículas se adhieren en una sola capa o en varias capas, y rápidamente se convirtió en esencial para diseñar y comprender las configuraciones de purificación. La mayoría de absorbentes, químicos encontrados, podría clasificarse en una de seis isotermas después de algunas mediciones experimentales.
Sin embargo, absorbentes modernos con estructuras de poros heterogéneas, como los marcos organometálicos (MOF), están resultando más difíciles de modelar. Si bien estos materiales se benefician de las pruebas de alto rendimiento de numerosas muestras, la necesidad de mediciones de isotermas individuales ralentiza considerablemente el descubrimiento, una situación experimentada por el profesor Kim Choon Ng en el Centro de Reutilización y Desalación de Agua de KAUST.
Imágenes SEM de la superficie porosa con una intensidad microscópica creciente (desde la parte superior izquierda). Crédito:KAUST
"Trabajamos para mejorar el tratamiento del agua de mar, y usar isotermas era muy tedioso, "dice Ng." Todos tenían que hacer su propio trabajo de prueba y error para aplicaciones particulares, y no existía una teoría real para ayudar a la gente a diseñar absorbentes ".
Con los investigadores Muhammad Burhan y Muhammad Shahzad, Ng tenía como objetivo descubrir cómo se podrían combinar las diferentes isotermas en un solo modelo universal. Propusieron subdividir superficies con variaciones de poros a escala nanométrica en pequeños parches que adsorben las moléculas huésped en condiciones termodinámicas y cinéticas similares. Al introducir un factor de probabilidad para definir la distribución de energía de cada parche, el equipo creó una función matemática capaz de detectar características significativas de superficies adsorbentes.
Las diferencias en el tamaño de los poros en las superficies absorbentes se pueden comprender mejor con un modelo que detecta pequeñas regiones donde los gases se adhieren a energías similares. Reproducido con permiso bajo licencia creative commons de referencia. Crédito:KAUST
Las comparaciones entre las predicciones generadas por el modelo universal y las isotermas de la literatura revelaron el poder del nuevo enfoque. Los datos teóricos no solo coincidieron con los experimentos medidos para las seis categorías de isotermas, pero aparecieron múltiples picos en las gráficas de distribución de energía cuando se detectan condiciones heterogéneas, parámetros que pueden resultar críticos para el desarrollo de materiales innovadores con capacidades de sorción ajustadas.
"Cada par de adsorbente-adsorbato tiene su propia función de distribución de energía distinta, lo que nos permite capturar toda la información en las isotermas, ", explica Ng." Los científicos de materiales deberían poder utilizar técnicas como la acidificación para expandir el tamaño de los poros en las estructuras organometálicas y cambiar su distribución de energía para aumentar la absorción ".
