Cuando los químicos o ingenieros quieren hacer un nuevo tipo de material, se dirigen al laboratorio y comienzan a "cocinar". Al igual que intentar mejorar una receta de comida, el proceso implica probar nuevos ingredientes químicos o ajustar los tiempos y temperaturas de cocción. Pero, ¿y si en lugar de depender de un proceso lento sin garantías de éxito, ¿Los científicos podrían simplemente "romper" diferentes "piezas" químicas juntas para hacer algo nuevo?

En un estudio publicado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , un equipo de investigadores de la Universidad de Pennsylvania, Universidad de Nebraska-Lincoln (UNL), Escuela de Minas de Colorado, y el Instituto de Tecnología de Harbin, en China, describe un nuevo enfoque para sintetizar "Legos" orgánicos que se pueden conectar fácilmente para hacer nuevos materiales. Este marco crea estructuras que son ligeras, poroso, y rápida de sintetizar y fácilmente modificable para crear nuevos materiales con propiedades únicas.

El estudio se centra en una estructura relativamente nueva conocida como marcos orgánicos covalentes, o COF. Los COF son sólidos orgánicos 2-D y 3-D que se mantienen unidos con fuertes, enlaces covalentes. Los COF tienen estructuras cristalinas hechas de elementos ligeros como el carbono, nitrógeno, y oxigeno, haciéndolos ligeros y duraderos. Como piezas individuales de Lego, Los bloques de construcción químicos individuales se pueden ensamblar de maneras definidas para formar una estructura más grande que se puede planificar con gran detalle en lugar de poner los componentes en una mezcla y ver qué sale.

Los bloques de construcción específicos utilizados en este estudio se conocen como porfirinas, una familia de estructuras orgánicas que se encuentran en proteínas como la hemoglobina y la clorofila. Estas estructuras incluyen un átomo de metal en su centro, ya los investigadores les gustaría usar este átomo reactivo para crear materiales COF con propiedades mejoradas. Pero a pesar de la gran cantidad de aplicaciones potenciales, que van desde el almacenamiento de hidrógeno hasta la captura de carbono, estos tipos de COF tienen limitaciones prácticas. Hacer COF es un proceso lento, y puede llevar varios días crear un gramo de material. Los métodos existentes también solo pueden producir COF en forma de polvo, haciéndolos mucho más difíciles de procesar o transferir a otros materiales.

Con el equipo de UNL utilizando su experiencia en electropolimerización, un método para controlar la síntesis de polímeros en un sustrato que conduce electricidad, los investigadores descubrieron que podían usar electricidad para crear películas delgadas de COF. El material resultante, Hojas bidimensionales apiladas en varias capas, es liviano y tolerante al calor y tarda horas en sintetizarse en lugar de días. "Este método es rápido, simple y barato, y habilita la deposición de una película delgada sobre una variedad de sustratos conductores, "dice Elham Tavakoli, quien dirigió el estudio junto con su compañero de estudios de posgrado de la UNL, Shayan Kaviani, bajo la supervisión del profesor asistente Siamak Nejati. "A través de este enfoque, podemos evitar los desafíos comunes con la síntesis de COF a través del método solvotermal convencional ".

Después de estudiar con más detalle la estructura de los COF depositados, sin embargo, los investigadores encontraron algo que no pudieron explicar:las distancias entre capas, o qué tan lejos estaban las hojas 2-D entre sí, eran mucho más grandes de lo esperado. Luego, los experimentadores recurrieron a los químicos teóricos de Penn para determinar qué estaba pasando.

Después de intentar crear un modelo teórico que describiera con precisión la estructura del COF, El postdoctorado de Penn, Arvin Kakekhani, se dio cuenta de que algo debía faltar en su modelo. Kakekhani estudió la lista de todos los productos químicos utilizados en el proceso de síntesis del COF para ver si alguno de los aditivos podría explicar sus resultados inesperados. Los investigadores se sorprendieron al descubrir que una molécula "espectadora", uno que pensaban que solo proporcionaba el entorno electroquímico necesario para que ocurriera la reacción, fue un componente esencial de la estructura del COF.

La idea de que una molécula como la piridina, una pequeña molécula orgánica con una estructura de anillo simple, puede ayudar a que se formen cristales no es un concepto nuevo en química, pero no se pensaba que fuera importante para la estructura de COF antes de este estudio. Ahora, los investigadores tienen una mejor comprensión de cómo este espectador encaja perfectamente dentro de las capas 2-D y proporciona el soporte necesario para que los COF formen una estructura cristalina. "Estas moléculas de piridina más pequeñas entran en el material y se convierten en parte del cristal, "dice Kakekhani.

Este nuevo enfoque es ahora un punto de partida para crear numerosos tipos de materiales. Al cambiar las condiciones de reacción y los tipos de bloques de construcción de COF que se utilizan y al reemplazar la piridina con otra molécula pequeña, las oportunidades para crear nuevos materiales con propiedades únicas son infinitas. "Los COF no son tan antiguos, por lo que tienen muchos puntos por descubrir, ", dice Tavakoli." Estoy deseando encontrar más de estos mitos en este campo ".

En el corto plazo, los investigadores esperan ajustar las propiedades catalíticas de los COF sintetizados y desarrollar catalizadores aislados en el sitio, Sustancias que aumentan la velocidad de una reacción química que son componentes esenciales de los procesos industriales. "Nuestro COF actual tiene reactividad química, pero eso se puede aumentar considerablemente mediante pequeñas modificaciones, "dice Andrew M. Rappe, Profesor Blanchard de Química en la Facultad de Artes y Ciencias de Penn. "Nuestro equipo puede tomar una plataforma y fabricar muchos materiales con diferentes funcionalidades, todo basado en el trabajo reportado aquí ".

"Prevemos que la plataforma desarrollada nos permitirá diseñar y realizar muchas interfaces funcionales aún no exploradas. Una amplia gama de aplicaciones, como separación de alta selectividad y catálisis eficiente, puede preverse para estos sistemas, "dice Nejati.

Kakekhani enfatiza que el trabajo también muestra la importancia de tener teóricos y experimentales trabajando en estrecha colaboración. "No se trataba solo de tener algo que coincidiera con sus datos, " él dice, "sino sobre generar información que pueda mejorar estos materiales. Se necesitan dos para bailar el tango, y si encontramos una manera de utilizar la información de los demás, hay espacio para descubrir cosas nuevas ".