Gafas ZIF, una nueva familia de vidrio, podría combinar la transparencia del vidrio de silicato con la calidad no frágil del vidrio metálico, según investigadores de Penn State y la Universidad de Cambridge en el Reino Unido.

"Estamos seguros de la transparencia, "dijo John Mauro, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State. "Tendremos que esperar hasta que se puedan hacer muestras más grandes para saber si tiene la asombrosa ductilidad del vidrio metálico, pero parece prometedor ".

La clase más nueva de materiales para la formación de vidrio, estructuras de imidazolato zeolítico (ZIF), tiene una estructura en la que los iones metálicos están unidos por ligandos orgánicos. Cuando se calienta dentro de un rango limitado de altas temperaturas, algunos materiales ZIF se derretirán y volverán a formar una estructura vítrea en la que los átomos tienen una estructura desordenada. Más allá del potencial de un vidrio transparente y mucho más flexible, algunos ZIF contienen una gran cantidad de poros funcionales que se pueden utilizar para el almacenamiento de gas; se han propuesto estructuras organometálicas como jaulas para el almacenamiento de hidrógeno para vehículos con pilas de combustible, catálisis, separación de gases o incluso administración de fármacos.

"Los ZIF son tan nuevos que la gente está descubriendo qué sustancias químicas forman los vasos, "Dijo Mauro." El objetivo de nuestro grupo es acelerar el diseño de estas nuevas gafas a través del modelado ".

En dos artículos de revistas recientes, Mauro y sus colegas utilizaron diferentes métodos de modelado para profundizar la comprensión y predecir las propiedades de las gafas ZIF. El primer método de modelado, ReaxFF, fue desarrollado por Adri van Duin, profesor de ingeniería mecánica en Penn State, quien es coautor de ambos artículos. ReaxFF es un método computacionalmente rápido y económico para simular la fusión y reformado de materiales candidatos.

"Es difícil simular estos sistemas porque los modelos generalmente se desarrollan para sistemas orgánicos o inorgánicos, pero no ambos, "dijo Yongjian Yang, Becario postdoctoral de Mauro y autor principal de ambos artículos. "Más, a diferencia de ReaxFF, otros modelos no permiten la ruptura de la unión y la reforma que tiene lugar en la formación de vidrio ".

Yang agregó que el uso de ReaxFF reduce el tiempo requerido para realizar simulaciones a unas pocas horas en lugar de los varios días que habría tomado el uso de métodos de mecánica cuántica.

En el artículo más reciente, publicado en el Revista de letras de química física , los investigadores utilizaron otro método de modelado desarrollado originalmente para otra clase de vidrios llamados vidrios de calcogenuro.

"James Phillips propuso que podemos pensar en las gafas de la misma manera que un ingeniero civil pensaría en diseñar una estructura de celosía como en un puente o en la Torre Eiffel, "Dijo Mauro.

Phillips, que estaba en Bell Labs en ese momento y ahora está en la Universidad de Rutgers, propuso un método para optimizar el vidrio basado en los grados de libertad de los átomos en comparación con el número de enlaces rígidos a otros átomos. Cuando los enlaces son iguales a los grados de libertad, la capacidad de moverse hacia arriba, hacia abajo o hacia los lados:el sistema generalmente se encuentra en el estado óptimo para formar un vidrio estable.

Mauro, que estaba en Corning Incorporated, y Prabhat Gupta, del estado de Ohio, extendió la teoría para desarrollar lo que se llama teoría de la restricción dependiente de la temperatura, lo que explica la rotura de la unión a alta temperatura, y también extendió la teoría para hacer predicciones cuantitativas de las propiedades del vidrio.

"Debido a que nuestra teoría se basa en el recuento de enlaces y átomos, es algo que se puede resolver con lápiz y papel, ", Dijo Mauro." Podemos hacer predicciones precisas de propiedades como la dureza del vidrio, modulos elasticos, la viscosidad y la temperatura de transición vítrea ".

Aunque su teoría, formulado en 2008, se ha aplicado con éxito a muchos sistemas de vidrio de óxido y se ha utilizado en la formulación de composiciones de vidrio industrial, este papel es la primera vez que se aplica al sistema de vidrio organometálico ZIF.

Thomas Bennett de la Universidad de Cambridge dirige la parte experimental del trabajo, incluida la síntesis de muestras ZIF, que actualmente tienen un tamaño de solo milímetros.

"Hay muchos desafíos que aún deben abordarse, ", Dijo Mauro." Esperamos utilizar estos enfoques de modelado para predecir los vidrios que podemos utilizar para aumentar a escala industrial y luego comercializar ". ¿No sería genial tener un vidrio que sea ópticamente transparente y mecánicamente dúctil? "