Diminutos cristales porosos cambian la forma del agua para acelerar las reacciones químicas
El nuevo enfoque está preparado para ayudar a los fabricantes de productos químicos a abandonar los catalizadores disolventes dañinos en favor del agua
Los ingenieros químicos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign comprenden ahora cómo se ensamblan y cambian de forma las moléculas de agua en algunos entornos, lo que revela una nueva estrategia para acelerar las reacciones químicas fundamentales para la industria y la sostenibilidad medioambiental. El nuevo método está destinado a ayudar a los fabricantes de productos químicos a prescindir de los perjudiciales catalizadores con disolventes en favor del agua.
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El método aprovecha los agujeros, túneles y pasadizos de los cristales microporosos a nanoescala llamados zeolitas. Los espacios de los poros de algunas zeolitas son tan estrechos que, cuando se saturan de agua, sólo pueden caber en sus confines cadenas de una sola molécula de ancho. Según los investigadores, estas cadenas de moléculas de agua de una sola fila tienen propiedades termoquímicas diferentes a las del agua normal o "a granel", lo que tiene consecuencias en muchas disciplinas científicas.
El estudio, dirigido por el profesor de ingeniería química y biomolecular David Flaherty, se publica en la revista Nature Catalysis.
Las zeolitas, que pueden comportarse como diminutas esponjas, filtros o incluso catalizadores, se han utilizado durante años en materiales que absorben los vertidos ambientales y purifican el agua y otras sustancias químicas. Los investigadores saben que las interacciones con el agua en el interior de los poros de las zeolitas afectan en gran medida a su estabilidad como catalizadores, pero no está claro cómo o por qué ocurre esto.
En el laboratorio, el equipo utilizó métodos espectroscópicos para medir las diferencias sistemáticas entre la forma y la disposición de las moléculas de agua en la fase masiva y las moléculas de agua confinadas dentro de una serie de zeolitas con diámetros de poro progresivamente más pequeños, incluyendo 1,3, 0,7, 0,5 y 0,3 nanómetros - entre 5.000 y 10.000 veces más pequeños que el grosor de un cabello humano.
"Observamos tasas más altas de reacciones químicas cerca de pequeños grupos de moléculas de agua confinados en los poros de la zeolita que en los que no tienen agua o en los que tienen agua a granel", dijo Flaherty. "Las correlaciones entre los cambios de entropía en el agua causados por la reacción, las tasas de reacción y el tamaño de los poros de la zeolita sugieren que los cambios en la estructura de los racimos y las cadenas de agua son responsables de la mejora de las tasas catalíticas".
"Cuando las estructuras de agua en forma de cadena tuvieron que reorganizarse para dar cabida a las moléculas que reaccionaban, se produjo un aumento inesperado -y espectacular- de las tasas", dijo el autor principal y antiguo estudiante de posgrado de Illinois, Daniel Bregante. "Estos hallazgos son una pieza importante del rompecabezas para entender por qué ciertas combinaciones de catalizadores, disolventes y reactivos condujeron a mayores tasas que otras".
Desde el punto de vista tecnológico, los investigadores dicen que ahora saben cómo diseñar mejores zeolitas sintéticas y ajustarlas para que influyan en reacciones de muchos tipos.
"Este principio también es relevante para materiales más allá de las zeolitas y otros procesos químicos", dijo Flaherty. "La electrocatálisis y otras tecnologías de sorción y separación utilizan materiales microporosos para conversiones o purificaciones de hidrocarburos o productos derivados de la biomasa, por ejemplo". El trabajo del equipo puede cambiar la forma en que otros diseñan y sintetizan materiales para estas aplicaciones.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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