Construcción de andamios con elementos exóticos: Un equipo de investigación consigue crear nuevos marcos metal-orgánicos
Descubiertos hace 25 años, los marcos metal-orgánicos (MOF) se ganaron rápidamente el aura de "material milagroso" debido a sus particulares propiedades: sus grandes superficies internas y el tamaño ajustable de sus poros facilitan la mejora de sus aplicaciones, por ejemplo, en la separación de materiales y el almacenamiento de gases. Mientras que los representantes anteriores se basaban principalmente en metales de transición como el cobre y el zinc, un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha explorado partes más exóticas de la tabla periódica: han investigado compuestos análogos con actínidos como componente inorgánico. De este modo, están contribuyendo, entre otras cosas, a promover la eliminación segura de materiales radiactivos.
La Dra. Juliane März en la guantera. Aquí prepara una muestra sensible a la humedad y al oxígeno para su análisis.
Amac Garbe/HZDR
Los científicos de Rossendorf han sentado así las bases de una plataforma para estructuras que pueden albergar una serie de iones metálicos actínidos como componente principal, a saber, el torio y el uranio, así como los transuránicos neptunio y plutonio. "La mayoría de estos elementos de la última fila de la tabla periódica son artificiales. Son el producto de un bombardeo de neutrones o un subproducto en un reactor nuclear. En ellos, el ser humano ha creado sustancias extremadamente peligrosas porque todas son radiactivas y, en algunos casos, muy tóxicas", explica el Dr. Moritz Schmidt, del Instituto de Ecología de los Recursos del HZDR. "Esto significa también que todo nuestro trabajo experimental tiene que llevarse a cabo con medidas de seguridad especiales. Nuestro caballo de batalla es la química de coordinación o, en otras palabras, la creación de complejos metálicos con moléculas predominantemente orgánicas", dice la Dra. Juliane März, ampliando los antecedentes de las actividades del equipo.
Dentro de la química de coordinación, los marcos metal-orgánicos son un campo relativamente joven. Estos sólidos altamente porosos están compuestos por metales o grupos de metal-oxígeno que se conectan de forma modular mediante pilares de sustancias químicas orgánicas, creando redes de cavidades flexibles que recuerdan a los poros de una esponja de cocina. Al principio, la investigación se centró en los metales de transición. "Las buenas perspectivas de nuevas aplicaciones pronto nos llevaron a buscar elementos con cáscaras electrónicas complejas: primero, los metales de tierras raras y, finalmente, también los actínidos. Pero todavía no se sabe casi nada de los elementos transuránicos que no se dan de forma natural, como el neptunio y el plutonio", dice März, esbozando la cronología.
Andamios de alta simetría a partir de bloques moleculares: aplicaciones a medida
Como pilar orgánico utilizaron antraceno modificado químicamente, un ejemplo destacado de hidrocarburos aromáticos policíclicos. "Sabemos que el antraceno cristalino es el mejor centelleador orgánico: Cuando una radiación rica en energía atraviesa esta sustancia, excita sus moléculas mediante procesos de colisión. La energía de excitación se emite en forma de luz azul. Por eso nuestras estructuras también son luminosas", informa Schmidt. Y presentan otra propiedad especial: la anchura de su bandgap, que es una medida de la diferencia energética entre la banda de valencia y la banda de conducción. "En el caso de los semiconductores, a temperaturas muy bajas sólo la banda de valencia tiene portadores de carga; en este estado es no conductora. Cuando se aplica energía, se desplazan a la banda de conducción y provocan un flujo de corriente. Las mediciones muestran que nuestro nuevo material es uno de los llamados semiconductores de banda ancha, que desempeñan un papel especialmente en la electrónica de potencia y la tecnología de sensores. Por tanto, podría utilizarse como detector de radiación ionizante, y los actínidos que hemos incorporado proporcionan al mismo tiempo una referencia de radiación interna constante", se complace en informar Schmidt.
Las primeras investigaciones sobre los MOF realizadas por grupos de investigación de todo el mundo sintetizaron representantes que presentaban superficies internas cada vez más grandes y, por tanto, se han convertido en alternativas al carbón activado y a las zeolitas, por ejemplo, en la separación de materiales o en los procesos catalíticos. Su ventaja es que su estructura modular permite implementar diversas topologías de red; además, el tamaño de los poros puede ajustarse muy finamente seleccionando un pilar apropiado para la aplicación prevista, como por ejemplo, adsorbentes eficientes para una sustancia química muy específica.
März y Schmidt han dado un paso más, añadiendo una nueva faceta con su trabajo. Han identificado aplicaciones en un campo en el que el Instituto de Ecología de Recursos de la HZDR realiza investigaciones: la eliminación segura de material radiactivo. Así, los investigadores están considerando el desarrollo de una matriz de residuos a medida que inmovilice los actínidos en el andamio y los productos de fisión en sus poros.
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Publicación original
K. Lv, C. Urbank, M. Patzschke, J. März, P. Kaden, S. Weiss, M. Schmidt: MOFs with 12-Coordinate 5f-Block Metal Centers, in Journal of the American Chemical Society, 2022.
K. Lv, S. Fichter, M. Gu, J. März, M. Schmidt: An Updated Status and Trends in Actinide Metal-Organic Frameworks (An-MOFs): From Synthesis to Application, in Coordination Chemistry Reviews, 2021.
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