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(Foco Nanowerk) Los materiales mesoporosos se han convertido en pioneros en la ciencia de los materiales gracias a su combinación única de alta superficie, tamaño de poro ajustable y capacidad para acomodar componentes funcionales. Estas propiedades los hacen extremadamente prometedores para aplicaciones como catálisis, almacenamiento de energía, separaciones químicas y administración de fármacos, donde el rendimiento depende de interacciones estrechas entre las moléculas invitadas y las superficies de los poros.
Sin embargo, el sueño de crear materiales mesoporosos verdaderamente personalizados con funcionalidades a nanoescala diseñadas con precisión ha estado fuera de alcance durante mucho tiempo.
El desafío es integrar componentes funcionales como nanopartículas o unidades moleculares en estructuras mesoporosas de manera controlada y racional.
Los métodos tradicionales han requerido un compromiso fundamental entre el grado de personalización de los componentes y la integridad estructural del material resultante. Las técnicas de impregnación post-síntesis, en las que unidades funcionales prefabricadas se infiltran en andamios porosos preformados, permiten controlar las propiedades de los componentes, pero a menudo dan como resultado una mala dispersión y obstrucción de los poros. En el sitio Las estrategias de cocondensación, en las que se introducen restos funcionales durante la síntesis del material, mejoran la dispersión pero limitan el control sobre el tamaño y la composición de los componentes.
Como resultado, los materiales mesoporosos siguen siendo en gran medida un enfoque único para todos, con una gama limitada de opciones de funcionalización y un límite superior en el nivel de carga de los componentes antes de que se comprometa la integridad estructural.
Si bien los investigadores han avanzado en la ampliación de la biblioteca de composiciones y morfologías mesoporosas, el desafío fundamental sigue siendo integrar componentes funcionales densamente empaquetados y altamente personalizados sin sacrificar el orden estructural. Este cuello de botella ha limitado la funcionalidad y el impacto en el mundo real de los materiales mesoporosos en una serie de aplicaciones de alto valor.
Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Fudan en China ha desarrollado una estrategia innovadora que podría impulsar el espacio del diseño de materiales mesoporosos funcionales. Informan sus resultados en Materiales funcionales avanzados (“Una biblioteca de estructuras mesoporosas ordenadas insertadas con nanocristales con densidad ultraalta y dispersión espacial”).
El grupo ha desarrollado un enfoque de ensamblaje modular que permite la integración racional de múltiples componentes de nanocristales funcionales adaptados de forma independiente en estructuras mesoporosas altamente ordenadas. Al desacoplar la síntesis de componentes funcionales del ensamblaje de la estructura porosa, este método logra un nivel de control sin precedentes tanto sobre la composición como sobre la disposición espacial de las funcionalidades integradas.
La innovación clave radica en el uso de un «pegamento inteligente»: pequeñas moléculas fenólicas que pueden unirse selectivamente a la superficie de nanocristales coloidales presintetizados y atraer simultáneamente micelas de copolímeros en bloque. Cuando estos componentes modulares (nanocristales, enlaces fenólicos y micelas de polímeros) se mezclan y se dejan ensamblar, se organizan espontáneamente en un compuesto mesoporoso altamente ordenado, con los nanocristales incrustados con precisión en las paredes de los poros.
Los propios nanocristales se pueden ajustar en tamaño (de 2 a 16 nm), forma y composición (entre metales, óxidos metálicos y aleaciones) sin alterar la periodicidad de mesoescala de la estructura.
Este enfoque versátil traspasa los límites anteriores de la carga de componentes funcionales y la complejidad de la composición en materiales mesoporosos. El equipo de la Universidad de Fudan logró cargas de nanocristales de hasta un extraordinario 45% en peso, muy por encima del límite superior comúnmente encontrado del 20% en peso, manteniendo al mismo tiempo una excelente dispersión espacial y orden estructural.
Aún más notable, demostraron la capacidad de integrar múltiples especies de nanocristales químicamente distintas en el mismo marco mesoporoso, creando materiales multifuncionales con propiedades sinérgicas y específicas de la aplicación.
La integración de múltiples tipos de nanocristales en una única estructura mesoporosa es una característica destacada de este trabajo, que permite la creación de materiales multifuncionales con sinergias cuidadosamente diseñadas entre componentes individuales.
Por ejemplo, al cointegrar nanocristales de paladio y platino en una configuración espacial optimizada, los investigadores crearon un catalizador bifuncional (un material capaz de catalizar dos reacciones químicas diferentes) que logró un notable rendimiento del 87 % para la síntesis en cascada de canela en un solo recipiente. acidez alcanzada. Esta síntesis en un solo recipiente implica múltiples pasos de reacción que tienen lugar en un solo recipiente, lo que es posible gracias a la presencia de dos funcionalidades catalíticas diferentes en el material mesoporoso.
En particular, este rendimiento del 87 % superó con creces el de las mezclas físicas de materiales simplemente funcionalizados, lo que destaca el potencial transformador de la disposición espacial precisa que permite el enfoque de ensamblaje modular.
Luego, los investigadores cuantificaron las extraordinarias ganancias de rendimiento que su método permitió. Los compuestos de carbono mesoporosos dopados con nanocristales de paladio demostraron una actividad catalítica hasta tres veces mayor para la hidrogenación selectiva de cinamaldehído que los análogos producidos convencionalmente, con una frecuencia de rotación (una medida de la eficiencia catalítica) que alcanzó 1039 por hora.
Estas cifras resaltan el enorme potencial de los materiales mesoporosos modulares para superar a sus homólogos fabricados convencionalmente. Mientras tanto, los compuestos funcionalizados con nanocristales de magnetita demostraron una fuerte capacidad de respuesta magnética, ampliando la gama de propiedades que pueden incorporarse en estructuras mesoporosas.
De cara al futuro, se espera que el enfoque de ensamblaje modular desarrollado por el equipo de la Universidad de Fudan amplíe significativamente el alcance de la funcionalización de materiales mesoporosos. Si bien el estudio actual se centra en estructuras mesoporosas de carbono y óxido de carbono-metal, la estrategia probablemente sea transferible a una gama mucho más amplia de composiciones y puede permitir el desarrollo de materiales de diseño mesoporosos adecuados para aplicaciones de almacenamiento de energía, separación química, catálisis, sensores, etc. están optimizados. y entrega de medicamentos.
En el almacenamiento de energía, por ejemplo, la capacidad de ajustar de forma independiente la composición y la disposición espacial tanto de los componentes que almacenan carga (como los electrodos de la batería) como de los componentes que transportan la carga (como los electrolitos) dentro de un marco mesoporoso podría conducir a mejoras espectaculares en la capacidad de almacenamiento de energía. Rendimiento de baterías y supercondensadores de próxima generación.
Sin embargo, es importante señalar que dichas aplicaciones siguen siendo especulativas en este momento y que se necesitarán más investigaciones exhaustivas para traducir los avances fundamentales informados en este estudio en dispositivos del mundo real.
También persisten desafíos para ampliar la síntesis de estos materiales mesoporosos modulares y ampliar aún más la gama de bloques de construcción de polímeros y nanocristales compatibles. La naturaleza compleja y de múltiples pasos del proceso de ensamblaje puede presentar obstáculos para la fabricación a gran escala, y el costo y la disponibilidad de ciertos componentes de nanocristales pueden limitar la viabilidad comercial a corto plazo.
Además, si bien el estudio actual demuestra la integración exitosa de un puñado de tipos de nanocristales, se necesita más trabajo para explorar el alcance completo de los módulos funcionales compatibles y las posibles arquitecturas de materiales.
A pesar de estos desafíos, la base conceptual de este trabajo ha abierto un enorme espacio de diseño nuevo para el desarrollo de materiales mesoporosos con una complejidad estructural y funcional sin precedentes.
Cuando los investigadores aprovechan este poderoso enfoque para crear compuestos mesoporosos personalizados con funcionalidades sinérgicas altamente personalizadas, pueden desbloquear soluciones transformadoras para los desafíos actuales en energía, remediación ambiental, atención médica y más.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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