Altug Poyraz, izquierda, un estudiante graduado, con Steven Suib, Patronato Distinguido Profesor y Director, Centro de excelencia GEMS. Crédito:Peter Morenus / UConn Photo
Un equipo de químicos de UConn ha descubierto una nueva forma de fabricar una clase de materiales porosos que permite mayores controles de fabricación y tiene aplicaciones significativamente más amplias que el estándar de la industria desde hace mucho tiempo.
El proceso, más de tres años en la elaboración y esbozado en la edición de diciembre de 2013 de Comunicaciones de la naturaleza , ha dado lugar a la creación de más de 60 nuevas familias de materiales hasta ahora, con potencial para muchos más. El catalizador clave en el proceso es reciclable, convirtiéndola en una tecnología "verde".
Están pendientes cuatro solicitudes de patente relacionadas con el descubrimiento. VeruTEK, una empresa de innovaciones químicas con sede en South Windsor, Conn., tiene derechos asegurados sobre algunos de los materiales.
"Este es definitivamente el proyecto más emocionante en el que he estado involucrado en los últimos 30 años, "dice el Profesor Distinguido de la Junta de Fideicomisarios Steven L. Suib, investigador principal del proyecto. "Lo que hemos hecho es similar a descubrir un nuevo insecto, solo que ahora hay una serie de familias de estas cosas que se pueden descubrir. Eso es muy bonito."
La investigación es el primer trabajo importante que surge del nuevo Centro de Excelencia GEMS de la Universidad. El centro que recibe su nombre del acrónimo Green Emulsions, Micelas y Tensioactivos, Está ubicado en el Departamento de Química de la Facultad de Artes y Ciencias Liberales.
La investigación de Suib implica la creación de uniformes, o monomodal, óxidos de metales mesoporosos que utilizan metales de transición como el manganeso, cobalto, y plancha. Mesoporoso describe el tamaño de los poros del material. En este caso, tienen entre 2 y 50 nanómetros de diámetro y están distribuidos uniformemente por la superficie del material, similar a lo que se podría ver si se usa un alfiler para hacer numerosos agujeros en un material. Solo el proceso UConn permite a los científicos utilizar la química del óxido nítrico para cambiar el diámetro del "pasador, "para cambiar el tamaño de los orificios. Este enfoque único ayuda a contener las reacciones químicas y proporciona un control y una flexibilidad sin precedentes.
"El profesor Suib y sus colegas informan de una ruta inesperada y novedosa para la generación de óxidos metálicos mesoporosos, "dice Prabir Dutta, distinguido profesor universitario de química y bioquímica en la Universidad Estatal de Ohio. "El descubrimiento del profesor Suib y la extensión de la mesoporosidad a una gama mucho más amplia de óxidos metálicos seguramente llevarán esta área a nuevas alturas, con todo tipo de aplicaciones potenciales, haciendo de este estudio un avance muy importante en la ciencia de los materiales ".
Crédito:Peter Morenus / UConn Photo
Tener materiales con poros microscópicos uniformes permite que las moléculas específicas de un tamaño particular fluyan dentro y fuera del material, que es importante en aplicaciones como la adsorción, sensores, óptica, magnético, y productos energéticos como los catalizadores que se encuentran en las pilas de combustible.
"Cuando la gente piensa en estos materiales, piensan en sistemas de candado y llave, "dice Suib." Con ciertas enzimas, tienes que tener poros de cierto tamaño y forma. Con este proceso, ahora puede hacer un receptáculo para proteínas o enzimas específicas para que puedan entrar en los poros y unirse y reaccionar específicamente. Esa es la esperanza para poder hacer un poro que permita que tales materiales encajen, para poder hacer un poro que un científico necesita ".
Durante los últimos 20 años, los científicos se han basado en una procedimiento a base de agua para fabricar materiales mesoporosos que fue desarrollado por primera vez por Mobil Oil. Ese procedimiento, aunque innovador cuando se descubrió, tiene limitaciones. El tamaño de los poros del material es difícil de manipular; las paredes de las estructuras mesoporosas resultantes son amorfas; y la estabilidad del sistema subyacente se debilita cuando se expone a altas temperaturas, limitando su uso. El proceso también funciona mejor cuando se usa silicio o titanio, a diferencia de otros metales de la tabla periódica.
Los químicos de UConn tomaron otra ruta, eligiendo reemplazar el proceso a base de agua con un surfactante químico sintético similar a un detergente para crear los mesoporos. Al reducir el uso de agua, añadiendo el tensioactivo, luego sometiendo las nanopartículas resultantes a calor, el equipo de investigación descubrió que podía generar térmicamente estable, materiales mesoporosos uniformes con paredes cristalinas muy fuertes. Los mesoporos, Suib dice:son creados por los espacios que se forman entre las nanopartículas organizadas cuando se agrupan. El equipo descubrió que el tamaño de esos huecos o poros podría adaptarse, aumentar o disminuir, ajustando la exposición de la nanoestructura al calor. un gran avance en el proceso de síntesis.
"Tal control de la distribución del tamaño de los poros, volúmenes de poros mejorados, y la estabilidad térmica no tiene precedentes ..., ", escribió el equipo en su informe.
Quizás lo más importante es que el equipo descubrió que el proceso podía aplicarse con éxito a una amplia variedad de elementos de la tabla periódica. También, el tensioactivo utilizado en la síntesis es reciclable y se puede reutilizar una vez extraído sin dañar el producto final.
Consciente de la importancia de sus hallazgos, El equipo de Suib esperó deliberadamente para publicar su informe hasta haber verificado diferentes aplicaciones utilizando una variedad de elementos periódicos. Incluso ahora, el equipo cree que solo ha arañado la superficie.
"Desarrollamos más de 60 familias de materiales, "dice Suib." Por cada material que hicimos, puedes hacer que a docenas de otros les guste. Puede doparlos agregando pequeñas cantidades de impurezas. Puede modificar sus propiedades. Puede producir sulfuros además de óxidos. Hay mucha más investigación por hacer ".
La investigación de la UConn fue financiada por la división de Ciencias de la Energía Básica del Departamento de Energía de EE. UU. A través de $ 420, 000 subvención durante tres años. Suib dice que un miembro en particular del equipo de investigación, Altug S. Poyraz, un estudiante de posgrado 'enormemente talentoso' que está cursando su doctorado en la UConn, fue fundamental para el éxito del proyecto. Poyraz pasó incontables semanas explorando pacientemente diferentes enfoques del proceso hasta que el equipo tuvo éxito.
"Es realmente un estudiante de posgrado único y probablemente el mejor químico sintético que he visto en mi vida. "dijo Suib, quien también se desempeña como director del Instituto de Ciencia de Materiales de la UConn.
Suib cree que el proceso será atractivo para la industria porque es simple, económico, y verde.