La mayoría de la gente no piensa en cómo encajan las moléculas en los espacios ultrapequeños entre otras moléculas, pero eso es lo que piensa el equipo de investigación del profesor Masahide Takahashi todos los días en la Universidad Metropolitana de Osaka. Estudian marcos organometálicos (MOF), compuestos de iones y moléculas metálicas dispuestas modularmente (enlazadores orgánicos), formando un andamio. Los iones metálicos actúan como esquinas conectadas por enlazadores orgánicos más largos. Se puede fabricar un MOF utilizando diferentes metales y enlazadores orgánicos, por lo que se pueden diseñar para propiedades químicas/físicas específicas, atractivas para recubrir sensores en dispositivos ópticos y electrónicos. Esto se debe a que el andamio MOF deja mucho espacio interno abierto. Estos poros pueden albergar numerosas moléculas invitadas que pueden acceder a la enorme superficie interna de los MOF, lo que los hace ideales para desarrollar materiales catalíticos, almacenamiento de gas, separación de gas y remediación ambiental.

Mediante el uso de un espectrómetro para medir el MOF y la absorbancia de la molécula huésped de dos tipos de luz infrarroja con polarización diferente, el método del equipo de investigación es el primero en medir las interacciones huésped-huésped y huésped-anfitrión y hacerlo en tiempo real. La espectroscopia infrarroja se usa comúnmente en los laboratorios y las adiciones requeridas para la polarización de la luz usan materiales mínimos, incluidos componentes impresos en 3D fácilmente replicables. Esto representa un gran avance en el estudio de MOF, lo que lo hace mucho más accesible en comparación con la difracción de rayos X o la espectroscopia de resonancia magnética nuclear de estado sólido utilizadas anteriormente.

Una propiedad única de los MOF es que pueden cambiar su conductividad y fotoluminiscencia al aumentar o disminuir la cantidad de moléculas invitadas alojadas en sus poros. Cuando están apretadas, las moléculas invitadas pueden alinearse, creando diferencias dependientes de la dirección para la absorción de luz y la resistencia eléctrica. Los investigadores acuñaron este fenómeno como el efecto de "lata de sardina" porque las moléculas en los gases no siempre son redondas, las moléculas de gas de formas diferentes a menudo actúan como "sardinas" cuando están confinadas en una "lata" de nanoporos. Cuando se agregan moléculas largas, chocan entre sí hasta que están una al lado de la otra, empaquetadas de manera eficiente y apuntando en la misma dirección como las sardinas.

Si hicieras brillar una luz a través del costado de una lata de sardinas transparente, podrías tener una buena idea sobre la dirección en la que se alinearon las sardinas según sus sombras. Sin embargo, las películas de MOF y las moléculas invitadas son demasiado pequeñas para proyectar sombras, por lo que los investigadores utilizaron una característica diferente de la luz:la polarización. Los investigadores utilizaron luz infrarroja en dos polarizaciones y midieron la absorbancia de la molécula huésped para cada polarización por separado. A medida que aumentaba la presión parcial del gas en la película MOF, las moléculas invitadas comenzaron a alinearse, aumentando la absorbancia de una polarización.

Esto permitió a los investigadores encontrar la presión parcial donde se alinearon las moléculas huésped y cómo interactuaban a diferentes presiones. Los enlaces moleculares entre diferentes átomos absorben longitudes de onda específicas de luz infrarroja. Al comparar cuáles de las longitudes de onda polarizadas fueron absorbidas, los investigadores pudieron determinar la dirección a la que apuntaban las moléculas en la película MOF. A presiones más altas, cuando los poros de MOF estaban llenos, también descubrieron defectos que comenzaron a aparecer en el andamio de MOF debido a la presencia de moléculas invitadas. Cuando se eliminaron las moléculas huésped, los defectos se revirtieron, dando la primera observación clara de las interacciones entre las moléculas huésped y huésped en el MOF.

Estos resultados, publicados en Angewandte Chemie International Edition , son solo el comienzo, ya que esta técnica se puede utilizar para estudiar diferentes películas de MOF e interacciones de moléculas invitadas en tiempo real. Esta nueva frontera de la ciencia de los materiales tiene el potencial de resolver muchos de los desafíos futuros de las humanidades. "Estos resultados aclaran cómo las moléculas ingresan a los nanoporos y cómo se alinean. Con base en esta técnica, podemos esperar desarrollar materiales porosos de alto rendimiento", concluyó la Dra. Bettina Baumgartner. + Explora más

Siguiendo la línea:el diseño y el control simples del flujo eléctrico MOF