Dióxido de nitrógeno y dióxido de azufre (NO₂ y SO₂ ) son gases tóxicos nocivos para el medio ambiente y la salud humana. Una vez que ingresan a la atmósfera, pueden viajar cientos de millas, contaminando el aire y provocando lluvia ácida que a su vez daña edificios, árboles y cultivos. La exposición a los gases tóxicos también puede provocar infecciones respiratorias, asma y enfermedades pulmonares crónicas.

Por esas razones, los llamados gases ácidos ocupan un lugar destacado en la lista de contaminantes a los que se dirige la Ley de Aire Limpio, que exige que la Agencia de Protección Ambiental regule y establezca límites de NO₂ y SO₂ emisiones con el objetivo de mejorar la calidad del aire y prevenir enfermedades generalizadas.

Los científicos están desarrollando materiales que pueden detectar y atrapar gases ácidos, un esfuerzo entre algunas de las principales estrategias innovadoras para mitigar la contaminación del aire y combatir el cambio climático. El enfoque consiste en varias soluciones tecnológicas diseñadas para filtrar el aire capturando o atrapando los gases tóxicos de las emisiones. En algunos casos, las moléculas capturadas también se pueden almacenar y reutilizar; el dióxido de carbono, por ejemplo, se puede reutilizar en ciertas aplicaciones para promover la fotosíntesis y el crecimiento de las plantas.

Los materiales llamados marcos orgánicos metálicos, o MOF, podrían llevar el secuestro de gas ácido al siguiente nivel, convirtiéndolo en un enfoque más viable y práctico para mejorar la calidad del aire a escala global. Los MOF son esencialmente una matriz microscópica de átomos metálicos unidos entre sí por moléculas orgánicas que forman un patrón repetitivo de diminutas jaulas metálicas interconectadas. Actúan como una esponja que puede adherir o absorber moléculas en su superficie. De hecho, los MOF son tan altamente porosos que la cantidad que cabría en el bolsillo de alguien, si se estirara, cubriría la superficie de un campo de fútbol completo.

En un estudio reciente publicado en la revista ACS Applied Materials and Interfaces , investigadores en busca de materiales candidatos para remediar NO₂ y SO₂ investigó una serie de MOF que se pueden fabricar a partir de toda la familia de metales de tierras raras. Utilizaron simulaciones por computadora y una combinación de experimentos de dispersión de rayos X y neutrones para ayudarlos a determinar las condiciones óptimas para sintetizar los materiales. En el proceso, también descubrieron detalles importantes sobre un defecto interesante que se forma en los MOF que, según dicen, podría ser útil en la construcción de dispositivos para capturar emisiones o detectar niveles peligrosos de gases tóxicos.

"Los marcos orgánicos de metal son realmente novedosos en su flexibilidad, su química y la forma en que puede adaptar su estructura. Si intercambia moléculas orgánicas, puede ajustar la estructura para apuntar a diferentes gases", dijo Susan Henkelis del Laboratorio Nacional Sandia, líder del estudio. autor. "Los gases ácidos generalmente provienen de procesos de combustión, por lo que esta investigación podría ser útil para desarrollar dispositivos que ayuden a limitar las emisiones de instalaciones industriales a gran escala, como refinerías de petróleo y centrales eléctricas basadas en combustibles fósiles".

El equipo incluye investigadores de los laboratorios nacionales Sandia y Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) y la Universidad de Tennessee, Knoxville (UTK). Los investigadores forman parte del Centro para la comprensión y el control de la evolución de materiales inducida por gases ácidos, o UNCAGE-ME, un programa desarrollado específicamente para comprender las interacciones entre los gases ácidos y los materiales sólidos. UNCAGE-ME es parte de un esfuerzo de investigación más amplio respaldado por el programa Energy Frontier Research Center (EFRC) del DOE, que reúne las capacidades de investigación de universidades y laboratorios nacionales para proporcionar información a escala atómica para abordar algunos de los desafíos energéticos más grandes del mundo que pueden solo se logrará a través de grandes colaboraciones.

"El objetivo científico fundamental de este trabajo fue comprender cómo la química y el proceso de síntesis crean estos defectos, porque queremos saber cómo se pueden controlar los defectos y cuál es su efecto en la adsorción de gases ácidos", dijo Peter Metz, un investigador postdoctoral en UTK que trabajó en Ciencias de Neutrones en ORNL durante el tiempo del estudio. "Para hacer eso, necesitamos entender cómo se forman los enlaces atómicos en los MOF y cómo se organizan los átomos".

Idealmente, las jaulas dentro de cada MOF sintetizado forman un cubo. Cada esquina contiene un grupo de seis iones de metales de tierras raras con otro grupo en el centro del cubo. Cada par de iones metálicos en el grupo se conecta a otro par en otro grupo mediante un solo enlace o molécula enlazadora.

Pero a veces ocurre un defecto, especialmente en los MOF hechos de iones de europio, donde el enlazador se tuerce y expone el ion de tierras raras, lo que aumenta la probabilidad de que una molécula contaminante quede atrapada dentro de la estructura.

Para descubrir por qué sucede esto, los investigadores utilizaron una combinación de experimentos de dispersión de rayos X y neutrones para mapear las estructuras atómicas de los materiales.

Usaron rayos X para encontrar los elementos de metal pesado, que proporcionaron un contorno de la estructura general. Y, para comprender mejor cómo se organizan las moléculas orgánicas, bombardearon los materiales con neutrones utilizando el instrumento POWGEN en la fuente de neutrones por espalación (SNS) de ORNL, lo que les ayudó a rastrear las posiciones de los átomos de hidrógeno, carbono y oxígeno que forman el molecular. enlaces entre los grupos de iones metálicos.

A partir de los experimentos, el equipo pudo determinar que los materiales con defectos en realidad se formaron más rápidamente que sus contrapartes sin defectos. También descubrieron que los defectos podrían ser inducidos intencionalmente ajustando las temperaturas y el tiempo que lleva hacer crecer los materiales cristalinos.

Luego, el equipo usó los datos estructurales obtenidos de los experimentos para ejecutar simulaciones por computadora para ver cómo cada uno de los materiales, con y sin los defectos, interactuaba con los gases tóxicos NO₂. y SO₂ .

"Si bien estos nuevos conocimientos están en el lado de la investigación básica, podrían tener un gran impacto en el futuro", dijo Tina Nenoff de Sandia, autora correspondiente del estudio. "Aprendimos nueva información sobre cómo se forman estos materiales, que podemos usar para controlar y diseñar MOF con más especificidad. Además, desarrollamos un enfoque integral para evaluar grandes series de MOF, lo que ayudará a acelerar el ritmo de búsqueda de nuevos materiales candidatos. y desarrollándolos en tecnologías útiles". + Explora más

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