Hay todo un universo acuoso escondido dentro de los diminutos poros de muchos materiales naturales y de ingeniería. La investigación de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis ha demostrado que cuando dichos materiales se sumergen en líquido, la química dentro de los pequeños poros, conocidos como nanoporos, puede diferir críticamente de la solución a granel.

De hecho, en soluciones de mayor salinidad, el pH dentro de los nanoporos puede ser hasta 100 veces más ácido que en la solución a granel.

Los hallazgos de la investigación se publicaron el 22 de agosto en la revista Chem .

Una mejor comprensión de los nanoporos puede tener consecuencias importantes para una variedad de procesos de ingeniería. Piense, por ejemplo, en la generación de agua limpia utilizando procesos de membrana; tecnologías de descarbonización para sistemas energéticos, incluida la captura y el secuestro de carbono; producción y almacenamiento de hidrógeno; y pilas.

Young-Shin Jun, profesor de ingeniería energética, ambiental y química, y Srikanth Singamaneni, profesor de Lilyan &E. Lisle Hughes en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales, querían entender cómo el pH, la medida de cuán ácido o básico. un líquido en nanoporos difiere de la solución líquida a granel en la que están sumergidos.

"El pH es una 'variable maestra' para la química del agua", dijo Jun. "Cuando se mide en la práctica, las personas realmente miden el pH de la solución a granel, no el pH dentro de los nanoporos del material".

"Y si son diferentes, eso es un gran problema porque la información sobre el pequeño espacio diminuto cambiará toda la predicción en el sistema".

Jun y su ex Ph.D. el estudiante Yaguang Zhu trabajó con Singamaneni y su ex Ph.D. estudiante Hamed Gholami Derami. Singamaneni había desarrollado sensores de nanopartículas plasmónicas que informaban cómo cambiaba el pH a medida que se movía a través de un sistema biológico. Los sensores consisten en una nanopartícula de oro emparejada con una molécula que es sensible al pH, exactamente el tipo de sensor que podría usar Jun.

Cuando la luz brilla sobre las moléculas de la sonda de pH, el pH de su entorno inmediato se informa mediante pequeños cambios en su dispersión Raman. Sin embargo, la dispersión Raman normal ofrece una señal extremadamente débil, lo que dificulta su detección. Ese efecto es magnificado por la nanopartícula de oro, que actúa como una especie de antena, amplificando el efecto de dispersión Raman.

Para medir el pH en nanoporos, Singamaneni encerró un nanosensor en una capa de sílice con poros de solo tres nanómetros de diámetro y lo puso en soluciones líquidas con diferentes químicas. El equipo verificó que los sensores solo proporcionaran información química desde el interior de los nanoporos de sílice, incluido el pH, y que no estuvieran contaminados por la solución a granel.

Y debido a que las nanopartículas de oro amplifican la dispersión Raman de las moléculas solo en su vecindad inmediata, también pueden proporcionar información sobre las moléculas y los iones dentro de los poros.

"No importa cómo cambie el pH fuera del nanoporo", dijo Singamaneni, "porque la molécula de la sonda no detecta eso. Solo detecta lo que sucede en el entorno local".

En el laboratorio, los equipos de investigación encontraron que los aniones (iones cargados negativamente) se transportaban preferentemente a los nanoporos, lo que inducía un pH más bajo dentro de los nanoporos que en la solución a granel.

Cuanto mayor sea la salinidad de la solución, mayor será la diferencia (¡hasta 100 veces más ácida!). En el mundo real, esto podría ser relevante para las salmueras de las plantas de desalinización, la recuperación de petróleo y gas o el secuestro de carbono geológico. Muchos materiales de ingeniería también aprovechan espacios de nanoporos únicos para obtener una mayor reactividad en los procesos.

Este hallazgo puede ayudar a explicar los misterios de larga data en los procesos de ingeniería donde los resultados tienden a no estar de acuerdo con los resultados previstos.

"Esto nos da poder predictivo", dijo Jun. "Anteriormente, habíamos estado utilizando solo información de los sistemas a granel. Pensamos que las químicas involucradas en la solución a granel y la solución en los nanoporos eran las mismas, pero descubrimos que los nanoporos crean un universo acuoso único que puede albergar reacciones importantes que no pueden suceder en una solución a granel". + Explora más

Un pequeño termómetro controla directamente los cambios de temperatura cuando los iones pasan a través de un nanoporo