Un equipo de investigadores en energía de la Universidad de Minnesota y la Universidad de Massachusetts Amherst ha descubierto que el movimiento molecular se puede predecir con gran precisión al confinar moléculas en pequeñas nanojaulas. Su método teórico es adecuado para analizar millones de posibles nanomateriales y podría mejorar la producción de combustibles y productos químicos.

La investigación se publica en línea en Ciencia Central ACS , una de las principales revistas de acceso abierto de la American Chemical Society.

Las moléculas en el aire pueden moverse libremente, vibrar y caer, pero confínelos en pequeños nanotubos o cavidades y pierden mucho movimiento. La pérdida total en movimiento tiene grandes implicaciones para la capacidad de capturar CO2 del aire, convertir moléculas de biomasa en biocombustibles, o para separar el gas natural, todos los cuales utilizan nanomateriales con pequeños tubos y poros.

Los investigadores del Centro Catalysis para la Innovación Energética con sede en la Universidad de Delaware llegaron a su gran avance al pensar en apretar moléculas en espacios reducidos. En el aire, las moléculas pueden moverse hacia arriba, abajo, y al espacio (tres dimensiones), pero en un nanotubo no estaba claro si las moléculas solo pueden moverse en una dirección (a través del tubo) o en dos direcciones (en la superficie del tubo). Similar, las moléculas pueden rotar y girar de tres formas, pero los bordes del tubo pueden evitar parte o la totalidad de este movimiento. La cantidad de rotación perdida era la incógnita.

"Nuestro enfoque fue separar el volteo y la rotación molecular del movimiento en la posición, "dijo Omar Abdelrahman, coautor del estudio, profesor asistente de ingeniería química de la Universidad de Massachusetts Amherst e investigador del Centro de catálisis para la innovación energética. "Descubrimos que todas las moléculas cuando se colocan en nanojaulas pierden la misma cantidad de movimiento en su posición, pero la cantidad de rotación y giro dependía en gran medida de la estructura de la nano-jaula ".

El equipo relacionó el movimiento molecular con la cantidad de entropía, que combina todos los aspectos del movimiento molecular en un solo número. Las moléculas pierden diferentes cantidades de entropía cuando acceden al interior de espacios nanoporosos, pero no ha quedado claro cómo la estructura de esos nanoespacios afectó el cambio de movimiento y la pérdida de entropía.

"Puede sonar esotérico, pero los cambios de entropía de las moléculas debido a las limitaciones de rotación y movimiento de posición dentro de los nanoporos decide si los nanomateriales funcionarán para miles de tecnologías de energía y separación, "dijo Paul Dauenhauer, coautor del estudio, profesor asociado de ingeniería química y ciencias de los materiales de la Universidad de Minnesota e investigador del Centro Catalysis para la Innovación Energética.

"Si podemos predecir el movimiento molecular y la entropía de las moléculas, luego podremos determinar rápidamente si los nanomateriales avanzados resolverán nuestros desafíos energéticos más urgentes, "Añadió Dauenhauer.

La capacidad de predecir la entropía y el movimiento molecular está relacionada con el reciente auge de la nanotecnología. En la última decada, La investigación en nanomateriales ha desarrollado millones de nuevas tecnologías que pueden captar, separar y reaccionar hidrocarburos del gas natural y la biomasa. Sin embargo, cada uno de estos miles de nanomateriales tiene un tamaño y una forma diferentes, y ha sido demasiado caro y lento probar estos nanomateriales avanzados uno por uno.

"Este descubrimiento realmente abre la puerta para predecir qué nanomateriales serán el gran avance en el futuro, "dijo Dionisios Vlachos, el director del Catalysis Center for Energy Innovation y profesor de la Universidad de Delaware. "Hemos inventado más materiales en la computadora de los que jamás podríamos probar, y ahora podemos determinar rápidamente en la computadora si estos funcionarán para nuestras necesidades de energía y separación ".

El enfoque en la predicción del movimiento molecular en nanomateriales se basa en el enfoque del Centro de catálisis para la innovación energética en el diseño de catalizadores para convertir los hidrocarburos derivados de la biomasa en biocombustibles y bioquímicos. El equipo descubrió recientemente una nueva clase de nanomateriales llamados "SPP" o "pentasils auto-pilares," "que son nanomateriales de zeolita para reaccionar y separar hidrocarburos. El SPP y otras nanoestructuras también han sido los materiales clave en el descubrimiento de procesos químicos para fabricar plástico renovable para botellas de refresco y caucho renovable para neumáticos de automóviles.

El descubrimiento de una ecuación para predecir el movimiento molecular en nanomateriales es parte de una misión más amplia del Catalysis Center for Energy Innovation, un Centro de Investigación de Fronteras del Departamento de Energía-Energía de EE. UU., dirigido por la Universidad de Delaware. Iniciado en 2009, el Centro de Catálisis para la Innovación Energética se ha centrado en la tecnología catalítica transformacional para producir productos químicos renovables y biocombustibles a partir de biomasa lignocelulósica (no alimentaria).