Fuera de la caja, Los MOF cristalinos (armazones organometálicos) parecen cristales de sal ordinarios. Pero los MOF son cualquier cosa menos cristales ordinarios:en lo profundo de cada "grano" cristalino se encuentra una intrincada red de delgados jaulas moleculares que pueden extraer del aire emisiones de gases nocivos como el dióxido de carbono, y contenerlos durante mucho tiempo.

Pero, ¿qué pasaría si pudiera diseñar un material MOF de doble propósito que pudiera almacenar moléculas de gas de dióxido de carbono por ahora? y convertirlos en productos químicos y combustibles útiles para más adelante? Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. Han ideado una forma de hacer precisamente eso:a través de una "superestructura" autoensamblable hecha de MOF y nanocristales.

El estudio, lo que sugiere que el material de autoensamblaje tiene un uso potencial en la industria de las energías renovables, fue publicado en la revista Angewandte Chemie .

Cuando 'aceite y agua' no se mezclan

Durante años, Los investigadores han intentado combinar nanocristales catalíticos y MOF cristalinos en un material híbrido, pero los métodos convencionales no proporcionan estrategias efectivas para combinar estas dos formas contrastantes de materia en un solo material.

Por ejemplo, Un método popular conocido como litografía de rayos X no funciona bien con los MOF porque estos materiales porosos pueden dañarse fácilmente con un haz de rayos X y son difíciles de manipular. dijo Jeff Urban, el autor principal del estudio y director de instalaciones de nanoestructuras inorgánicas en la fundición molecular de Berkeley Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que se especializa en investigación en nanociencia.

El otro problema es que, aunque los MOF y los nanocristales se pueden mezclar en una solución, Los investigadores que han intentado utilizar métodos de autoensamblaje para combinarlos no han podido superar la tendencia natural de estos materiales a alejarse unos de otros, muy similar a la separación que se ve unos minutos después de mezclar un aderezo para ensaladas hecho en casa. de aceite de oliva y vinagre.

"Metafóricamente, la densa 'bola de billar' de nanocristales va al fondo, y la 'esponja' de MOF menos densa flota hacia la parte superior, "dijo Urban.

Crear un material de nanocristales MOF que no se separe como lo hacen el aceite y el agua después de mezclarse requiere "un control exquisito sobre las energías de la superficie, a menudo fuera del alcance de los métodos sintéticos contemporáneos, "Dijo Urban.

Y como no se están asociando bien, Los MOF (el material que permite el almacenamiento y la separación a largo plazo) no se pueden colocar junto a los nanocristales (el material que proporciona la unión y la catálisis a corto plazo).

"Para aplicaciones como catálisis y almacenamiento de energía, existen fuertes razones científicas para combinar más de un material, ", agregó." Queríamos descubrir cómo diseñar la materia para que haya MOF y nanocristales catalíticos uno al lado del otro de una manera predecible ".

Cómo se atraen los opuestos a través de la termodinámica

Entonces, Urban y su equipo recurrieron al poder de la termodinámica, una rama de la física que puede guiar a los científicos sobre cómo unir dos materiales con dos funciones completamente diferentes. como el almacenamiento de energía frente a la catálisis / conversión química, en una superestructura híbrida.

Según sus cálculos basados ​​en termodinámica, dirigido por Steve Whitelam, un científico de planta en Molecular Foundry, Los investigadores del laboratorio de Berkeley predijeron que las nanopartículas de MOF formarían una capa superior a través de enlaces moleculares entre los MOF y los nanocristales.

Sus simulaciones, llevada a cabo en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC), otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Berkeley Lab, también sugirió que una formulación de nanocristales de óxido de hierro y MOF proporcionaría la uniformidad estructural necesaria para dirigir el proceso de autoensamblaje , Dijo Urban.

"Antes de que comenzáramos este proyecto hace unos años, No había ningún principio rector real sobre cómo hacer superestructuras de nanocristales MOF que se mantuvieran en la práctica, aplicaciones industriales, "Dijo Urban." Estos cálculos finalmente informaron los experimentos utilizados para ajustar la energía del proceso de autoensamblaje. Teníamos suficientes datos para predecir que funcionaría ".

Una imagen nítida con un resultado sorprendente

Después de muchas rondas de pruebas de diferentes formulaciones de enlaces moleculares nanocristales-MOF, Las imágenes STEM (microscopía electrónica de transmisión de barrido) tomadas en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica (NCEM) de Molecular Foundry confirmaron que los MOF se autoensamblaron con los nanocristales de óxido de hierro en un patrón uniforme.

Luego, los investigadores utilizaron una técnica conocida como dispersión resonante de rayos X suaves (RSoXS) en la fuente de luz avanzada, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que se especializa en energía más baja, Luz de rayos X "suave" para estudiar las propiedades de los materiales, para confirmar el orden estructural observado en los experimentos de microscopía electrónica.

Lo que vieron a continuación los sorprendió.

"Esperábamos que los nanocristales de óxido de hierro y los MOF se autoensamblaran, pero no esperábamos la configuración de 'bola de semillas de sésamo', "Urban dijo, refiriéndose a un pastel chino frito.

En el campo del autoensamblaje, los científicos suelen esperar ver una red bidimensional. "Esta configuración fue tan inesperada. Fue fascinante; no conocíamos ningún precedente de este fenómeno, pero teníamos que averiguar por qué estaba ocurriendo esto ".

Urban dijo que la configuración de bolas de semillas de sésamo está formada por una reacción entre los materiales que minimiza la autoenergía termodinámica del MOF con la autoenergía del nanocristal de óxido de hierro. A diferencia de las interacciones anteriores de MOF / nanocristales, las interacciones moleculares entre el MOF y el nanocristal de óxido de hierro impulsan el autoensamblaje de los dos materiales sin comprometer su función.

El nuevo diseño también es el primero en aflojar los rígidos requisitos de tamaños de partículas uniformes de los métodos de autoensamblaje anteriores. abriendo la puerta a un nuevo manual de diseño de MOF para la electrónica, óptica, catálisis, y biomedicina.

Ahora que han demostrado con éxito el autoensamblaje de MOF con nanocristales catalíticos, Urban y su equipo esperan personalizar aún más estas superestructuras utilizando combinaciones de materiales destinadas a aplicaciones de almacenamiento de energía solar. donde los productos químicos de desecho podrían convertirse en materias primas para combustibles renovables.