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(noticias nanowerk) Investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y de la Universidad Técnica de Dresde (TUD) descifraron el mecanismo de adsorción de agua en determinados materiales microporosos, las llamadas estructuras organometálicas (MOF), y los estudiaron en la superficie. escala atómica. Descubiertos hace sólo 25 años, rápidamente se ganaron la reputación de «material milagroso» debido a sus propiedades especiales, que, como se vio después, pueden incluso extraer agua del aire.
en el diario Interfaces y materiales aplicados de ACS(“Unravelling the Water Adsortion Mechanism in Hierarchical MOFs: Insights from In Situ Positron Annihilation Lifetime Studies”), los investigadores describen cómo el material logra esto.
![Las estructuras organometálicas pueden absorber agua en los poros que forman](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64348_1.jpg)
“Estos materiales tan especiales son sólidos muy porosos hechos de metales o grupos de metal y oxígeno que están conectados de forma modular mediante columnas de sustancias químicas orgánicas. Esta disposición tridimensional crea redes de cavidades que recuerdan a los poros de una esponja de cocina. Son precisamente estas cavidades las que nos interesan”, afirma el Dr. Ahmed Attallah del Instituto de Física de la Radiación del HZDR.
Estos poros a nanoescala forman la base para una gran cantidad de aplicaciones potenciales, que van desde el almacenamiento de gas y la tecnología de separación hasta la catálisis y nuevos sensores, siendo la producción de agua una de las más prometedoras.
Explora el vacío
Para ello, el equipo sintetizó dos MOF basados en los metales circonio y hafnio, que están sostenidos por la misma estructura orgánica. A continuación, los científicos examinaron con más detalle las propiedades de los materiales obtenidos utilizando diversas técnicas complementarias. Por un lado, determinaron cuánto nitrógeno o vapor de agua podía quedar atrapado en los poros del material. Por otro lado, investigaron el mecanismo exacto de adsorción de agua en los MOF, que aún no se ha comprendido del todo.
“Para arrojar luz sobre el proceso, utilizamos una técnica no destructiva llamada espectroscopia de vida de aniquilación de positrones, o PALS, en la que un positrón interactúa con electrones (sus antipartículas) provocando su aniquilación y luego liberando rayos gamma que pueden detectarse. El tiempo entre la emisión de positrones de una fuente radiactiva y la posterior detección de rayos gamma es la vida útil del positrón. «Esto, a su vez, depende de la rapidez con la que chocan con los electrones», describe el Dr. Andreas Wagner, director del Centro ELBE para fuentes de radiación de alta potencia del HZDR, explica el principio.
Cuando hay huecos como nanoporos en el material, los positrones y los electrones tienden a formar lo que se conoce como átomos de positronio, con un electrón y un positrón cada uno orbitando alrededor de su centro de masa común y dirigiéndose directamente uno hacia el otro hasta que el par de partículas ya sea dispersarse o aniquilarse, dependiendo de lo que ocurra primero. Debido a que estos átomos exóticos viven más tiempo en cavidades más grandes, revelan información sobre el tamaño y la distribución de las cavidades.
Los investigadores descubrieron que la adsorción de agua en los MOF está controlada principalmente por un mecanismo de llenado gradual, incluida la formación de puentes líquidos en los poros. La adsorción de agua estuvo influenciada por la formación de acumulaciones de agua en la superficie de los poros, lo que resultó en pequeños espacios de aire en los poros.
Exprime el aire del desierto
«Debido a la gran similitud química de los metales circonio y hafnio, las estructuras organometálicas resultantes tienen exactamente el mismo tamaño de poro y una alta estabilidad química, de modo que podemos evaluar simultáneamente la validez de nuestro método», afirma el profesor Stefan Kaskel. Explica la cátedra de Química Inorgánica I de la Universidad Técnica de Dresde. La investigación de su grupo se centra en el desarrollo de nuevos materiales funcionales para diversas aplicaciones, como almacenamiento y conversión de energía, catálisis ambiental y adsorción de agua.
Con base en los resultados, los investigadores concluyen que su estudio proporciona nuevos conocimientos sobre el mecanismo de adsorción de agua en los MOF jerárquicos, lo que podría ayudar a desarrollar mejores materiales para recolectar agua del aire, lo cual es particularmente importante en regiones áridas. Al exponer los MOF al aire, pueden capturar moléculas de agua de la atmósfera. Luego, el agua se puede liberar y utilizar calentando o reduciendo la presión.
Los científicos ya están pensando en el futuro: ¿la tecnología es adecuada para soluciones comerciales? 1,3 litros de agua por kilogramo de MOF al día provenientes del aire del desierto, según informó otro grupo local, da una idea de la magnitud del rendimiento prácticamente alcanzable actualmente.
Sin embargo, para lograr una solución sostenible global, se deben tener en cuenta otros factores más allá del rendimiento.
“Para aumentar la producción de agua con MOF, estos deben ser accesibles en grandes cantidades a bajo costo. «Además, las rutas de síntesis tradicionales requieren grandes cantidades de disolventes orgánicos o la compra de costosos componentes básicos», señalan Kaskel y Attallah, posibles obstáculos en este esfuerzo.
Para evitarlos, en el futuro cobrarán más importancia los llamados procesos de síntesis “verdes”, recientemente desarrollados, que garantizan una producción respetuosa con el medio ambiente de MOF. El equipo de Dresde ya está siguiendo esta idea siguiendo los principios de la química verde, como el uso de agua como disolvente, permitiendo que se produzcan reacciones a bajas temperaturas que ahorran energía y utilizando materiales de desecho como fuentes de metales y enlaces orgánicos.
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