Los ingenieros químicos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign ahora comprenden cómo las moléculas de agua se ensamblan y cambian de forma en algunos entornos. revelando una nueva estrategia para acelerar las reacciones químicas críticas para la industria y la sostenibilidad ambiental. El nuevo enfoque está listo para desempeñar un papel en ayudar a los fabricantes de productos químicos a alejarse de los catalizadores solventes dañinos en favor del agua.

Su método aprovecha los agujeros, túneles y pasajes dentro de cristales microporosos a nanoescala llamados zeolitas. Los espacios porosos dentro de algunas zeolitas son tan estrechos que cuando se saturan con agua, solo pueden encajar cadenas de una sola molécula dentro de sus límites. Estas cadenas de moléculas de agua de una sola fila tienen diferentes propiedades termoquímicas que el agua normal o "a granel", los investigadores dijeron, que tiene consecuencias en muchas disciplinas científicas.

El estudio, dirigido por el profesor de ingeniería química y biomolecular David Flaherty, se publica en la revista Catálisis de la naturaleza .

Zeolitas que pueden comportarse como pequeñas esponjas, filtros o incluso catalizadores, se han utilizado durante años en materiales que absorben los derrames ambientales y purifican el agua y otros productos químicos. Los investigadores entienden que las interacciones con el agua dentro de los poros de la zeolita afectan en gran medida su estabilidad como catalizadores, pero no está claro cómo o por qué sucede esto.

En el laboratorio, El equipo utilizó métodos espectroscópicos para medir las diferencias sistemáticas entre la forma y la disposición de las moléculas de agua en la fase general y las moléculas de agua confinadas dentro de una serie de zeolitas con diámetros de tamaño de poro progresivamente más pequeños. incluyendo 1.3, 0,7, 0,5 y 0,3 nanómetros:5, 000 a 10, 000 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano.

"Vimos tasas más altas de reacciones químicas cerca de pequeños grupos de moléculas de agua confinadas en los poros de la zeolita que en aquellos sin agua o en agua a granel". ", Dijo Flaherty." Las correlaciones entre los cambios de entropía en el agua causados ​​por la reacción, las velocidades de reacción y el tamaño de los poros de la zeolita sugieren que los cambios en la estructura de los grupos y cadenas de agua son responsables de la mejora de las velocidades catalíticas ".

"Cuando las estructuras de agua en forma de cadena tuvieron que reorganizarse para acomodar las moléculas que reaccionaban, condujo a aumentos inesperados y dramáticos en las tasas, ", dijo el autor principal y ex estudiante graduado de Illinois, Daniel Bregante." Estos hallazgos son una pieza importante del rompecabezas para comprender por qué ciertas combinaciones de catalizadores, los solventes y reactivos condujeron a tasas más altas que otros ".

Desde un punto de vista tecnológico, los investigadores dicen que ahora saben cómo diseñar mejores zeolitas sintéticas y ajustarlas para influir en reacciones de muchos tipos.

"Este principio también es relevante para materiales más allá de las zeolitas y otros procesos químicos, Flaherty dijo. “La electrocatálisis y otras tecnologías de sorción y separación utilizan materiales microporosos para conversiones o purificaciones de hidrocarburos o productos derivados de la biomasa, por ejemplo. "El trabajo del equipo puede cambiar la forma en que otros diseñan y sintetizan materiales para estas aplicaciones.

El profesor de Illinois Diwakar Shukla; estudiantes de posgrado Matthew Chan, Jun Zhi Tan y Zeynep Ayla; y Christopher Nicholas, de Honeywell, Des Plaines, Voy a., participó en este estudio.