Ver las moléculas dentro de una "lata de sardinas" de tamaño nanométrico

Un nuevo e inteligente método para observar los marcos metal-orgánicos y las interacciones de las moléculas invitadas, mediante espectroscopia infrarroja polarizada en tiempo real

18.05.2022 - Japón

La mayoría de la gente no piensa en cómo encajan las moléculas en los espacios ultrapequeños entre otras moléculas, pero eso es lo que hace cada día el equipo de investigación del profesor Masahide Takahashi en la Universidad Metropolitana de Osaka. Estudian los marcos metal-orgánicos (MOF), compuestos por iones metálicos y moléculas (enlazadores orgánicos) dispuestos modularmente, formando un andamio. Los iones metálicos actúan como esquinas conectadas por enlaces orgánicos más largos. Un MOF puede fabricarse utilizando diferentes metales y enlazadores orgánicos, por lo que pueden diseñarse con propiedades químicas/físicas específicas, atractivas para el recubrimiento de sensores en dispositivos ópticos y electrónicos. Esto se debe a que el andamio MOF deja mucho espacio interno abierto. Estos poros pueden "acoger" numerosas moléculas "invitadas", que pueden acceder a la enorme superficie interna de los MOF, lo que los hace ideales para desarrollar materiales catalíticos, almacenamiento de gases, separación de gases y remediación ambiental.

Al utilizar un espectrómetro para medir la absorbencia de los MOF y de las moléculas invitadas en dos tipos de luz infrarroja de diferente polaridad, el método del equipo de investigación es el primero en medir tanto las interacciones huésped-huésped como las interacciones huésped-huésped y hacerlo en tiempo real. La espectroscopia de infrarrojos se utiliza habitualmente en los laboratorios y las adiciones necesarias para la polarización de la luz utilizan materiales mínimos, incluidos componentes impresos en 3D fácilmente reproducibles. Esto representa un enorme avance en el estudio de los MOF, haciéndolo mucho más accesible en comparación con la difracción de rayos X o la espectroscopia de resonancia magnética nuclear en estado sólido que se utilizaban anteriormente.

Una propiedad única de los MOF es que pueden cambiar su conductividad y fotoluminiscencia aumentando o disminuyendo el número de moléculas invitadas que se alojan en sus poros. Cuando están bien empaquetadas, las moléculas invitadas pueden alinearse, creando diferencias dependientes de la dirección en la absorción de la luz y la resistencia eléctrica. Los investigadores acuñaron este fenómeno como el efecto "lata de sardinas" porque las moléculas de los gases no siempre son redondas, las moléculas de gas con formas diferentes suelen actuar como "sardinas" cuando están confinadas en una "lata" de nanoporos. Cuando se añaden moléculas largas, éstas chocan entre sí hasta que se encuentran una al lado de la otra, empaquetadas eficazmente y apuntando en la misma dirección, como las sardinas.

Si se hiciera brillar una luz a través del lateral de una lata de sardinas transparente, se podría tener una buena idea de la dirección en la que están alineadas las sardinas basándose en sus sombras. Sin embargo, las películas de MOF y las moléculas invitadas son demasiado pequeñas para proyectar sombras, por lo que los investigadores utilizaron una característica diferente de la luz: la polarización. Los investigadores utilizaron luz infrarroja en dos polarizaciones y midieron la absorbencia de la molécula huésped para cada polarización por separado. Al aumentar la presión parcial del gas en la película de MOF, las moléculas invitadas comenzaron a alinearse, aumentando la absorbencia de una polarización.

Esto permitió a los investigadores encontrar la presión parcial en la que las moléculas huésped se alineaban y cómo interactuaban a diferentes presiones. Los enlaces moleculares entre diferentes átomos absorben longitudes de onda específicas de la luz infrarroja. Comparando cuál de las longitudes de onda polarizadas era absorbida, los investigadores pudieron determinar la dirección a la que apuntaban las moléculas de la película de MOF. A presiones más altas, cuando los poros del MOF estaban llenos, también descubrieron defectos que empezaban a aparecer en el andamiaje del MOF debido a la presencia de las moléculas invitadas. Cuando se eliminaron las moléculas invitadas, los defectos se invirtieron, lo que supuso la primera observación clara de las interacciones entre las moléculas invitadas y las anfitrionas en el MOF.

Estos resultados son sólo el principio, ya que esta técnica puede utilizarse para estudiar diferentes películas de MOF y las interacciones de las moléculas huéspedes en tiempo real. Esta nueva frontera de la ciencia de los materiales tiene el potencial de resolver muchos de los retos futuros de las humanidades. "Estos resultados aclaran cómo entran las moléculas en los nanoporos y cómo se alinean. Basándonos en esta técnica, podemos esperar desarrollar materiales porosos de alto rendimiento", concluyó la Dra. Bettina Baumgartner.

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.

Publicación original

Bettina Baumgartner, Risa Mashita, Arisa Fukatsu, Kenji Okada, Masahide Takahashi; Guest Alignment and Defect Formation during Pore Filling in Metal–Organic Framework Films; Angewandte Chemie International Edition; 2022

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