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(noticias nanowerk) Investigadores de la Universidad de Tohoku han desvelado una nueva forma de predecir la síntesis de nuevos materiales mediante el intercambio iónico. Basado en simulaciones por computadora, el método reduce significativamente el tiempo y la energía necesarios para explorar materiales inorgánicos.
Los detalles de su investigación fueron publicados en la revista. quimica de materiales (“Diseño de reacciones de intercambio iónico topotáctico en óxidos de estado sólido mediante cálculos de primeros principios”).
![Representación esquemática del proceso de síntesis a alta temperatura comúnmente utilizado para la síntesis de materiales y (abajo) el proceso de intercambio iónico adecuado para la síntesis de fases metaestables.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id65058_1.jpg)
En la búsqueda de nuevos materiales que permitan tecnologías energéticas eficientes y respetuosas con el medio ambiente, los científicos recurren periódicamente al método de reacción a alta temperatura para sintetizar materiales inorgánicos. Cuando las materias primas se mezclan y se calientan a temperaturas muy altas, se dividen en átomos y luego se vuelven a ensamblar en nuevas sustancias. Sin embargo, este enfoque tiene algunas desventajas. Sólo se pueden formar materiales con la estructura cristalina energéticamente más estable y no es posible sintetizar materiales que se descompondrían a altas temperaturas.
Al contrario: el método de intercambio iónico crea nuevos materiales a temperaturas relativamente bajas. Los iones de materiales existentes se intercambian con iones de carga similar de otros materiales, creando nuevas sustancias inorgánicas. La baja temperatura de síntesis permite obtener compuestos que no serían accesibles mediante el método habitual de reacción a alta temperatura.
Sin embargo, a pesar de su potencial, la falta de un enfoque sistemático para predecir combinaciones de materiales adecuadas para el intercambio iónico ha obstaculizado su adopción generalizada y ha requerido tediosos experimentos de prueba y error.
«En nuestro estudio, utilizamos simulaciones por computadora para predecir la viabilidad de materiales adecuados para el intercambio iónico», dice Issei Suzuki, profesor asistente principal en el Instituto de Investigación Multidisciplinaria en Materiales Avanzados de la Universidad de Tohoku y coautor del artículo.
Las simulaciones incluyeron el examen del potencial de reacciones de intercambio iónico entre óxidos ternarios de tipo wurtzita y haluros/nitratos. En concreto, Suzuki y sus colegas realizaron simulaciones en 42 combinaciones de β-MIGaO2MI = Na, Li, Cu, Ag como precursores y haluros y nitratos como fuentes de iones.
![Una imagen de la predicción de la disponibilidad del intercambio iónico.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id65058_2.jpg)
Los resultados de la simulación se dividieron en tres categorías: «se produce intercambio iónico», «no se produce intercambio iónico» y «se produce intercambio iónico parcial (se forma una solución sólida). Para confirmar sus resultados, los investigadores verificaron la simulación mediante experimentos reales y confirmaron la concordancia entre la simulación y los experimentos en las 42 combinaciones.
Suzuki cree que su desarrollo futuro acelerará el desarrollo de nuevos materiales adecuados para tecnologías energéticas mejoradas. “Nuestros resultados mostraron que es posible predecir si el intercambio iónico es posible y diseñar reacciones de antemano sin prueba y error experimental. En el futuro, planeamos utilizar este método para buscar materiales con propiedades nuevas y atractivas con las que podamos abordar los problemas energéticos”.
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