¿Cómo sale el agua de una esponja?

En un nuevo estudio, Los científicos responden a esta pregunta en detalle para un poroso, material cristalino hecho de metal y bloques de construcción orgánicos, específicamente, sulfato de cobalto (II) heptahidratado, Ácido 5-aminoisoftálico y 4, 4'-bipiridina.

Usando técnicas avanzadas, Los investigadores estudiaron cómo esta esponja cristalina cambiaba de forma a medida que pasaba de un estado hidratado a un estado deshidratado. Las observaciones fueron elaboradas, permitiendo al equipo "ver" cuándo y cómo tres moléculas de agua individuales dejaron el material mientras se secaba.

Las esponjas cristalinas de este tipo pertenecen a una clase de materiales llamados estructuras organometálicas (MOF), que tienen potencial para aplicaciones tales como atrapar contaminantes o almacenar combustible a bajas presiones.

"Esto fue realmente agradable, ejemplo detallado del uso de difracción dinámica de rayos X in situ para estudiar la transformación de un cristal MOF, "dice Jason Benedict, Doctor., profesor asociado de química en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Buffalo. "Iniciamos una reacción, una deshidratación. Luego la monitoreamos con rayos X, resolución de estructuras cristalinas, y podemos ver cómo este material se transforma de la fase completamente hidratada a la fase completamente deshidratada.

"En este caso, el cristal hidratado contiene tres moléculas de agua independientes, y la pregunta era básicamente, ¿Cómo se pasa de tres a cero? ¿Estas moléculas de agua salen una a la vez? ¿Se van todos a la vez?

"Y descubrimos que lo que sucede es que una molécula de agua se va muy rápido, que hace que la red cristalina se comprima y se retuerza, y las otras dos moléculas terminan saliendo juntas. Se filtran al mismo tiempo, y eso hace que la celosía se desenrolle pero permanezca comprimida. Todo ese movimiento que estoy describiendo, no tendrías ninguna idea de ese tipo de movimiento en ausencia de este tipo de experimentos que estamos realizando ".

La investigación fue publicada en línea el 23 de junio en la revista Dinámica estructural . Benedict dirigió el estudio con los primeros autores Ian M. Walton y Jordan M. Cox, Doctorado en Química UB. graduados. Otros científicos de la UB y la Universidad de Chicago también contribuyeron al proyecto.

Comprender cómo se transforman las estructuras de los MOF, paso a paso, durante procesos como la deshidratación es interesante desde el punto de vista de la ciencia básica, Benedict dice. Pero ese conocimiento también podría ayudar a los esfuerzos para diseñar nuevas esponjas cristalinas. Como explica Benedict, Cuanto más puedan aprender los investigadores sobre las propiedades de dichos materiales, más fácil será diseñar MOF novedosos orientados a tareas específicas.

La técnica que el equipo desarrolló y empleó para estudiar la transformación del cristal proporciona a los científicos una herramienta poderosa para avanzar en la investigación de este tipo.

"Los científicos a menudo estudian cristales dinámicos en un entorno estático, "dice el coautor Travis Mitchell, un doctorado en química estudiante en el laboratorio de Benedict. "Esto limita en gran medida el alcance de sus observaciones antes y después de que tenga lugar un proceso en particular. Nuestros hallazgos muestran que la observación de cristales dinámicos en un entorno que también es dinámico permite a los científicos hacer observaciones mientras se lleva a cabo un proceso en particular. Nuestro grupo desarrolló un Dispositivo que nos permite controlar el entorno en relación con el cristal:podemos hacer fluir continuamente fluido alrededor del cristal a medida que recopilamos datos, lo que nos proporciona información sobre cómo y por qué se transforman estos cristales dinámicos ".

El estudio fue apoyado por la National Science Foundation (NSF) y el Departamento de Energía de EE. UU. incluso a través de la instalación ChemMatCARS de NSF, donde tuvo lugar gran parte del trabajo experimental.

"Estos tipos de experimentos suelen tardar días en realizarse en un difractómetro de laboratorio, "Dice Mitchell." Afortunadamente, nuestro grupo pudo realizar estos experimentos utilizando radiación de sincrotrón en ChemMatCARS de NSF. Con radiación de sincrotrón, pudimos realizar mediciones en cuestión de horas ".