Dmytro Nykypanchuk, científico del Centro de Nanomateriales Funcionales, se muestra en la línea de luz de dispersión de materiales complejos, donde se realizó el estudio. Crédito:Departamento de Energía de EE. UU.
¿Qué hace tu piel? la ropa que usas, y el suelo sobre el que estás parado tienen en común? Todas son sustancias porosas. Como una esponja sus superficies están cubiertas con pequeños orificios que permiten el paso de líquidos y gases. Los materiales porosos están muy extendidos por todo el mundo, y aquellos con poros a nanoescala, llamados materiales mesoporosos, componen todo, desde soportes de catalizadores químicos hasta cámaras de almacenamiento de gas y membranas de separación.
Hasta la fecha, los científicos han luchado por fabricar materiales mesoporosos fuertes; sin embargo, han desarrollado con éxito materiales "microporosos". Estos materiales tienen poros aún más pequeños, midiendo menos de dos nanómetros. Los científicos construyen estos materiales increíblemente diminutos utilizando el concepto de "marco molecular", donde pequeño, Las moléculas rígidas están interconectadas para generar una estructura continua. Si bien la falta de componentes básicos adecuados en el régimen mesoporoso (de dos a 50 nanómetros) ha impedido a los científicos desarrollar materiales mesoporosos fuertes, un equipo de investigación de la Universidad de Buffalo (UB) ha resuelto este problema.
"Una vez que alcanzas un cierto tamaño, la mayoría de las moléculas se vuelven demasiado flexibles y no son lo suficientemente fuertes para mantener la estructura de los poros de un material, "dijo Dmytro Nykypanchuk, un científico del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. ubicada en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. "Esto ha llevado a los científicos de la UB a desarrollar un enfoque completamente nuevo para la síntesis de materiales mesoporosos".
En un artículo publicado en ACS Nano , los científicos describen la síntesis de un nuevo material a partir de copolímeros de cepillo de botella, una molécula gigante con una arquitectura especial. Estas moléculas tienen cerdas que emanan de una columna vertebral con bloques terminales. El equipo de investigación predijo que esta combinación única de componentes reactivos en una sola molécula formaría un material fuerte con poros controlables. Específicamente, las cadenas laterales podrían servir como interconectores extra rígidos, mientras que los bloques terminales reactivos podrían ayudar a que se unan varias moléculas del cepillo de botellas.
Esta imagen muestra la arquitectura especial de los copolímeros de cepillo de botella (arriba a la izquierda), que tienen cerdas que emanan de una columna vertebral con bloques terminales. Al interconectar estas moléculas, los científicos fabricaron un material mesoporoso (derecha). Crédito:Departamento de Energía de EE. UU.
"Los copolímeros Bottlebrush proporcionan una plataforma única para fabricar materiales mesoporosos, "dijo Javid Rzayev, el investigador principal del proyecto y catedrático de Química de la UB. "Al manipular su arquitectura molecular, podemos controlar la rigidez molecular y la direccionalidad de las interacciones intermoleculares. Esto nos ha permitido desarrollar un material mesoporoso con parámetros sintonizables molecularmente ".
Para confirmar sus resultados, el equipo de investigación de la UB analizó la estructura del nuevo material en el National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), también una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Usando una técnica llamada dispersión de rayos X de ángulo pequeño, el equipo dirigió los brillantes rayos X de la línea de luz 11-BM, una línea de luz construida en asociación entre NSLS-II y CFN, para observar cómo la luz rebota en los átomos dentro del material. El estudio reveló que el nuevo material era muy diferente a los producidos por métodos tradicionales. Debido a que cada poro fue construido por varias macromoléculas, el material recientemente desarrollado tenía un número mucho mayor de poros por volumen, mientras que los poros exhibieron dimensiones uniformes y mantuvieron su rigidez. Más importante, los científicos podían controlar los poros manipulando la estructura de los copolímeros de los cepillos de botellas.
"Debido a que los poros están definidos por la arquitectura molecular, los científicos tienen mucho más control sobre el tamaño de los poros y las propiedades de estos materiales que antes, "Dijo Nykypanchuk.
Con un marco robusto y controlable para trabajar, los científicos ahora pueden investigar formas de mejorar los materiales mesoporosos, como alterar la naturaleza de los poros para hacerlos catalíticamente activos.
