Investigadores del Instituto Niels Bohr y el Departamento de Química de la Universidad de Copenhague, han diseñado recientemente un polímero poroso destinado a la captura de moléculas pequeñas. El amoniaco es un gas tóxico muy utilizado como reactivo en procesos industriales o resultante de actividades agrícolas. causando irritación en la garganta, daño ocular e incluso la muerte de los seres humanos. Poder capturarlo con este nuevo método podría tener enormes beneficios para la salud. El resultado ahora se publica en Materiales e interfaces aplicados ACS.

Profesor asociado del Instituto Niels Bohr, Heloisa Bordallo, explica:"Si queremos utilizar este material en una aplicación real para resolver un problema social importante como la contaminación por amoníaco, Es importante explicar cómo el amoníaco es capturado por la red porosa del polímero. Esto implica que teníamos que idear una técnica que nos permitiera descubrir exactamente cómo se produce la interacción entre el polímero y el amoníaco. Tener éxito en responder a esta pregunta, nos permitirá comprender mejor cómo este u otros polímeros pueden ser eficientes en dominios multidisciplinarios, incluyendo nanomedicina y recubrimientos protectores. Si se amplía, que no es un proceso simple, esto podría tener un impacto positivo significativo en el entorno laboral de muchas personas en todo el mundo ".

El polímero mostró características sorprendentemente buenas ya desde el principio.

El profesor asistente Jiwoong Lee en el Departamento de Química y Rodrigo Lima, un ex postdoctorado en el Instituto Niels Bohr, sintetizado 2 gramos del polímero, que no parece mucho, pero en realidad es sustancial, teniendo en cuenta las cantidades con las que trabajan normalmente los químicos es sólo de unos pocos miligramos. Después de este primer paso, el equipo utilizó muchas técnicas diferentes para caracterizar el material. El profesor asistente Jiwoong Lee explica:"El proceso de síntesis a menudo implica lavar el material con disolventes y fue una agradable sorpresa darse cuenta de que el polímero poroso en realidad conservaba una parte de estos disolventes en su interior. Esto era indicativo de la capacidad del material para quizás capturar otros contaminantes, como el amoniaco ".

Los investigadores realizaron experimentos en ISIS Neutron and Muon Source, parte del Laboratorio STFC Rutherford Appleton en el Reino Unido. donde se investigó la dinámica de los enlaces de hidrógeno mediante la recopilación de datos de dispersión de neutrones a baja presión para introducir amoníaco en el polímero. La dispersión de neutrones es una técnica capaz de describir dónde se encuentran los átomos y al mismo tiempo describir cómo se mueven los átomos dentro de un material. Después, Rodrigo Lima, ex postdoctorado en el Instituto Niels Bohr, montó un experimento en el laboratorio de análisis térmico del Instituto Niels Bohr y demostró que el amoníaco no solo se capturaba, pero unido a los materiales porosos. "¡Fue una verdadera sorpresa! El polímero se une al amoníaco con mucha fuerza, " él dice.

Caracterizar el polímero amorfo resultó ser un desafío en sí mismo.

"Para poder explicar esta conexión aparentemente fuerte entre el polímero y el amoníaco, necesitábamos conocer la estructura del polímero. Pero dado que este polímero en particular es amorfo, es difícil caracterizar completamente su estructura. En cierto modo, se podría decir que habíamos marcado la casilla de capturar el amoníaco, pero aún necesitábamos explicar cómo sucede esto, y para eso necesitábamos una mejor vista de la estructura, que era inalcanzable. Todo un dilema para tener pleno éxito en una parte del proyecto, y no ser capaz de explicar exactamente por qué ”, explica Heloisa Bordallo.

Los investigadores hicieron diferentes combinaciones de los bloques de construcción de polímero y pudieron calcular un espectro, utilizando un método de modelado computacional llamado DFT, a partir de una combinación que se acercó más a ser similar a las medidas de la muestra real. Esta, finalmente, les permitió "marcar la casilla" para interpretar cómo se une el polímero.

"Existen numerosas aplicaciones para un polímero que captura amoníaco, "Explica Jiwoong Lee." Sería útil en los laboratorios, como revestimiento de máscaras para la seguridad personal, ya que el amoniaco es tóxico y también muy corrosivo. Podría usarse como filtros, Reducir la propagación del amoníaco liberado a través de los escapes de muchos tipos de industrias. Pensando por adelantado, es posible que la técnica de los polímeros también se pueda aplicar a otros tipos de contaminantes ".

Aprendizaje automático e inteligencia artificial

Heloisa Bordallo desea aplicar el aprendizaje automático a sistemas amorfos. Para este experimento, ella y sus colegas hicieron el experimento 'a mano, ' por así decirlo, pero quizás sea una forma más viable de realizar este proceso para utilizar el aprendizaje automático y la inteligencia artificial. La aplicación de algoritmos de aprendizaje profundo puede ayudar a clasificar con precisión los materiales amorfos y a caracterizar sus características estructurales. "Luego, al combinar el aprendizaje automático con cálculos teóricos, podremos analizar los datos de dispersión de neutrones de una manera mucho más elegante, " ella dice.