Un tamiz para las moléculas
"Este tipo de materiales con permeabilidad selectiva son muy demandados en la industria"
Los científicos llevan tiempo intentando utilizar el grafeno, compuesto de carbono, como una especie de tamiz. Pero este material no tiene poros. Ahora, un equipo ha encontrado un material alternativo que viene con poros desde el principio.
La sílice bidimensional tiene poros que son permeables a ciertas moléculas (derecha), pero no a otras (izquierda). Por tanto, actúa como un tamiz para las moléculas.
© RUB, AG Chemie Anorganischer Materialien
Investigadores de Bielefeld, Bochum y Yale han logrado producir una capa de dióxido de silicio bidimensional (2D). Este material contiene poros naturales y, por tanto, puede utilizarse como un tamiz para moléculas e iones. Los científicos llevan mucho tiempo buscando este tipo de materiales porque podrían, por ejemplo, ayudar a desalinizar el agua de mar y utilizarse en nuevos tipos de pilas de combustible. El equipo describe el proceso de fabricación de los silicatos bicapa en la revista Nano Letters, publicada en línea el 19 de enero de 2022. El estudio fue realizado conjuntamente por los equipos dirigidos por el Dr. Petr Dementyev de la Universidad de Bielefeld, la profesora Anjana Devi de la Ruhr-Universität Bochum y el profesor Eric Altman de la Universidad de Yale.
Poros naturales en la red cristalina
Cuando los materiales bidimensionales se perforan con gran precisión, pueden utilizarse para filtrar determinados iones y moléculas. Los investigadores han intentado una y otra vez perforar con este fin el material grafeno, formado por átomos de carbono. Como no tiene poros naturales, hay que introducirlos artificialmente. Pero es difícil crear agujeros de un tamaño definido en el grafeno sin dañar permanentemente el material. Esto se debe a que pierde estabilidad mecánica debido a la perforación. Por lo tanto, había que encontrar una alternativa. En el estudio actual, el equipo de investigación aprovechó que la red cristalina del dióxido de silicio bidimensional contiene poros por naturaleza. Demostraron que estos poros pueden utilizarse para separar unos gases de otros.
"Esto es muy emocionante porque el dióxido de silicio bidimensional tiene una densidad muy alta de poros diminutos por naturaleza que simplemente no es posible crear en membranas artificiales", dice Petr Dementyev, del grupo de investigación de Física de Sistemas Supramoleculares y Superficies de Bielefeld. "A diferencia del grafeno perforado, los poros son todos casi del mismo tamaño. Y hay un número tan increíble de ellos que el material se comporta como un tamiz de malla fina para las moléculas".
Problemático de fabricar
El sílice 2D se conoce desde 2010. Sin embargo, su fabricación era muy costosa y sólo podía hacerse a pequeña escala. Aunando conocimientos de química de materiales, ingeniería química y física química, los investigadores de Bochum, Bielefeld y Yale idearon un nuevo proceso de fabricación del material. Utilizaron la llamada deposición de capas atómicas para depositar una sola capa de dióxido de silicio sobre una superficie de oro. Mediante un proceso de alta presión, los investigadores transfirieron la capa a su forma bidimensional y luego la caracterizaron en detalle mediante espectroscopia y microscopía. A continuación, examinaron el flujo de gas a través de la membrana bidimensional en una cámara de vacío.
Mientras que el agua y el alcohol vaporizados penetraban en la capa de sílice, los gases nitrógeno y oxígeno no podían pasar. "Materiales como éste, con una permeabilidad selectiva, tienen una gran demanda en la industria", afirma Anjana Devi. Sin embargo, antes de que la sílice 2D pueda utilizarse en la práctica, es importante evaluar exactamente cuántas moléculas diferentes pueden adherirse a la superficie del material o cómo pueden penetrar en él.
"Esperamos que nuestros resultados sean de gran relevancia para la comunidad de científicos de materiales de todo el mundo", concluye Anjana Devi, del grupo de investigación de Química de Materiales Inorgánicos. Estas membranas 2D podrían estar en la vanguardia de la ayuda al desarrollo sostenible, por ejemplo en el campo de la conversión o el almacenamiento de energía".
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