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(Foco Nanowerk) En las últimas décadas, los científicos han descubierto que la combinación de múltiples elementos metálicos en un solo material puede conducir a nuevas propiedades y funciones extraordinarias. Por ejemplo, las aleaciones especiales de acero hechas de hierro y mezclas precisas de otros metales han producido aceros que son extremadamente ligeros y resistentes. Este enfoque de mezcla «multimetal» se ha mostrado prometedor en la ciencia de los materiales, brindando a los investigadores la capacidad de refinar propiedades mezclando ingeniosamente diferentes metales.
Aunque el potencial era claro, resultó extremadamente difícil de realizar en una clase emergente de materiales llamados estructuras organometálicas (MOF). Los MOF son un tipo de «esponja de cristal» creada combinando metales con moléculas orgánicas para formar estructuras abiertas y porosas. Su naturaleza personalizable, similar a una esponja, hace que los MOF sean atractivos para muchas aplicaciones de vanguardia, desde el almacenamiento de energía hasta la detección química.
El problema es que producir MOF a partir de múltiples metales es muy difícil. Los intentos de los investigadores de mezclar diferentes metales a menudo dieron como resultado una distribución irregular y desigual en lugar de una mezcla uniforme. Esto se debe a que diferentes metales tienen diferentes reactividades, lo que les dificulta mezclarse uniformemente en la complicada y altamente ordenada red cristalina de un MOF.
Pero en un nuevo estudio publicado en Materiales funcionales avanzados (“Un marco organometálico con ocho elementos metálicos de tierras raras de diferentes tamaños: hacia la multifuncionalidad A la carta«), los investigadores informan sobre una técnica de mezcla innovadora que finalmente les permite mezclar sistemáticamente muchos metales diferentes en MOF. Su enfoque se basó en moléculas enlazadoras orgánicas especialmente diseñadas que hacen que los diferentes componentes metálicos se mezclen uniformemente dentro de la estructura MOF.
![Ejemplos de resultados de la formación competitiva de cristales con diferentes combinaciones bimetálicas y bloques de construcción secundarios en forma de varilla](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64068_1.jpg)
«Demostramos la síntesis de un MOF multimetálico que contiene dos, cuatro, seis u ocho elementos diferentes de tierras raras de diferentes tamaños y en cantidades casi equimolares y sin separación de composición», explicó el autor del estudio, el Dr. José Giner Planas del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona.
Los metales de tierras raras son elementos químicos como el neodimio, el gadolinio y el erbio que tienen propiedades magnéticas y ópticas únicas que son esenciales para tecnologías que van desde láseres hasta escáneres de resonancia magnética. Al mezclar ocho metales de tierras raras diferentes, los investigadores pudieron personalizar las propiedades térmicas, ópticas y magnéticas del MOF resultante.
La clave era su molécula conectora orgánica especial, que contenía grupos de moléculas llamadas carboranos. Los carboranos son moléculas tridimensionales de carbono-boro excepcionalmente estables con forma de pelota de fútbol. En el estudio, los investigadores conectaron dos esferas de carborano mediante un conector rígido en forma de varilla. Las voluminosas esferas de carborano separaron suavemente los diferentes metales de tierras raras, mientras que el enlazador en forma de varilla hizo que se organizaran en una cadena mixta uniforme dentro del MOF.
«El uso de enlaces voluminosos como los carboranos para la síntesis de MOF multimetálicos controla la formación de cadenas metálicas uniformes y permite la introducción de múltiples cationes de diferentes tamaños», explicó el Dr. Planos.
Después de probar sistemáticamente diferentes combinaciones de metales de tierras raras, el equipo logró mezclar ocho metales de diferentes tamaños, una novedad en los MOF. Los análisis mostraron que los diferentes metales estaban distribuidos uniformemente por todo el cristal MOF y no se agrupaban.
Sorprendentemente, el complicado MOF conservó las distintas propiedades ópticas, magnéticas y térmicas de los componentes metálicos individuales. «Demostramos la coexistencia de los ocho metales en el MOF y demostramos las funcionalidades potencialmente ajustables que ofrecen los metales», dijo el Dr. Planos.
Por ejemplo, el MOF exhibió comportamientos magnéticos versátiles atribuidos a los diferentes metales de tierras raras. Dos de los metales, terbio y disprosio, dieron al MOF un “comportamiento magnético de molécula única”, útil para el almacenamiento de datos. Al mismo tiempo, el metal gadolinio le daba un efecto «magnetocalórico», bombeando calor en respuesta al magnetismo, un efecto utilizado en nanorefrigeradores especiales.
Los resultados muestran que los MOF especializados con propiedades altamente ajustables se pueden adaptar mezclando diferentes metales en proporciones precisas. Según la Dra. Para Planas, esto abre la posibilidad de crear “QuMOF” utilizando metales de tierras raras, que se sabe que tienen propiedades cuánticas valoradas para la computación cuántica. Los enlazadores de carborano podrían usarse para unir los diversos componentes de tierras raras con precisión atómica, creando complicados circuitos de computación cuántica integrados en un MOF.
Aunque queda mucho por hacer, la tecnología de mezcla de metales ofrece a los investigadores una nueva plataforma sólida para explorar MOF multimetálicos. En el futuro, estos MOF de “mezclar y combinar” podrían potencialmente abrir una amplia gama de aplicaciones antes inaccesibles al permitir a los científicos seleccionar combinaciones de propiedades magnéticas, ópticas, térmicas y otras simplemente ajustando las proporciones de los metales. Los resultados representan un paso importante hacia el tan esperado objetivo de diseñar los materiales del mañana a la carta.
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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