Científicos diseñan materiales "ultraestables" a partir de modelos computacionales
Estos marcos metalorgánicos altamente estables podrían ser útiles para aplicaciones como la captura de gases de efecto invernadero
Los materiales conocidos como marcos metalorgánicos (MOF) tienen una estructura rígida en forma de jaula que se presta a diversas aplicaciones, desde el almacenamiento de gas hasta la administración de fármacos. Cambiando los componentes básicos de los materiales o su disposición, los investigadores pueden diseñar MOF adecuados para distintos usos.
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Sin embargo, no todas las estructuras de MOF posibles son lo bastante estables como para utilizarlas en aplicaciones como la catalización de reacciones o el almacenamiento de gases. Para ayudar a los investigadores a averiguar qué estructuras de MOF podrían funcionar mejor para una aplicación determinada, investigadores del MIT han desarrollado un enfoque computacional que les permite predecir qué estructuras serán las más estables.
Utilizando su modelo computacional, los investigadores han identificado unas 10.000 posibles estructuras MOF que clasifican como "ultraestables", lo que las convierte en buenas candidatas para aplicaciones como la conversión de gas metano en metanol.
"Cuando a la gente se le ocurren materiales MOF hipotéticos, no necesariamente saben de antemano lo estable que es ese material", explica Heather Kulik, profesora asociada de química e ingeniería química del MIT y autora principal del estudio. "Usamos datos y nuestros modelos de aprendizaje automático para obtener bloques de construcción que se esperaba que tuvieran una gran estabilidad, y cuando los recombinamos de formas que eran considerablemente más diversas, nuestro conjunto de datos se enriqueció con materiales con mayor estabilidad que cualquier conjunto anterior de materiales hipotéticos que la gente hubiera encontrado".
Aditya Nandy, estudiante de posgrado del MIT, es el autor principal del artículo, publicado en la revista Matter. Otros autores son Shuwen Yue, postdoctorado del MIT, los estudiantes de postgrado Changhwan Oh y Gianmarco Terrones, Chenru Duan, PhD '22, y Yongchul G. Chung, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad Nacional de Pusan.
Modelización de MOF
Los MOF interesan a los científicos porque tienen una estructura porosa que los hace idóneos para aplicaciones relacionadas con gases, como el almacenamiento de gases, la separación de gases similares entre sí o la conversión de un gas en otro. Recientemente, los científicos también han empezado a explorar su uso para administrar fármacos o agentes de imagen dentro del cuerpo.
Los dos componentes principales de los MOF son las unidades de construcción secundarias -moléculas orgánicas que incorporan átomos metálicos como el zinc o el cobre- y las moléculas orgánicas llamadas enlazadores, que conectan las unidades de construcción secundarias. Según Kulik, estas piezas pueden combinarse entre sí de muchas formas distintas, como los bloques de construcción de LEGO.
"Como hay tantos tipos diferentes de bloques de LEGO y tantas formas de ensamblarlos, se produce una explosión combinatoria de posibles materiales de armazón metálico-orgánico", explica. "Se puede controlar la estructura general de la estructura orgánica metálica eligiendo cómo ensamblar los distintos componentes".
En la actualidad, la forma más habitual de diseñar MOF es por ensayo y error. Más recientemente, los investigadores han empezado a probar enfoques computacionales para diseñar estos materiales. La mayoría de estos estudios se han basado en predicciones de lo bien que funcionará el material para una aplicación concreta, pero no siempre tienen en cuenta la estabilidad del material resultante.
"Un material MOF realmente bueno para la catálisis o para el almacenamiento de gas tendría una estructura muy abierta, pero una vez que se tiene esta estructura abierta, puede ser muy difícil asegurarse de que ese material también es estable en el uso a largo plazo", dice Kulik.
En un estudio de 2021, Kulik presentó un nuevo modelo creado a partir de varios miles de artículos sobre MOF para encontrar datos sobre la temperatura a la que se descompondría un MOF determinado y si éste podría soportar las condiciones necesarias para eliminar los disolventes utilizados para sintetizarlo. Kulik entrenó el modelo informático para predecir estas dos características, conocidas como estabilidad térmica y estabilidad de activación, basándose en la estructura de las moléculas.
En el nuevo estudio, Kulik y sus estudiantes utilizaron ese modelo para identificar unos 500 MOF con una estabilidad muy elevada. A continuación, descompusieron esos MOF en sus componentes más comunes: 120 unidades de construcción secundarias y 16 enlazadores.
Al recombinar estos componentes utilizando unos 750 tipos diferentes de arquitecturas, incluidas muchas que no suelen incluirse en estos modelos, los investigadores generaron unas 50.000 estructuras MOF nuevas.
"Una de las singularidades de nuestro conjunto es que hemos estudiado simetrías cristalinas mucho más diversas de las que se habían estudiado antes, pero [lo hemos hecho] utilizando estos bloques de construcción que sólo procedían de MOF altamente estables sintetizados experimentalmente", afirma Kulik.
Ultraestabilidad
A continuación, los investigadores utilizaron sus modelos computacionales para predecir el grado de estabilidad de cada una de estas 50.000 estructuras e identificaron unas 10.000 que consideraron ultraestables, tanto por su estabilidad térmica como por su estabilidad de activación.
También analizaron las estructuras en función de su "capacidad de liberación", una medida de la capacidad de un material para almacenar y liberar gases. Para este análisis, los investigadores utilizaron gas metano, ya que su captura podría ser útil para eliminarlo de la atmósfera o convertirlo en metanol. Descubrieron que los 10.000 materiales ultraestables que identificaron tenían buenas capacidades de liberación de metano y también eran mecánicamente estables, según su módulo elástico previsto.
"El diseño de un MOF exige tener en cuenta muchos tipos de estabilidad, pero nuestros modelos permiten predecir casi a coste cero la estabilidad térmica y de activación", afirma Nandy. "Al comprender también la estabilidad mecánica de estos materiales, proporcionamos una nueva forma de identificar materiales prometedores".
Los investigadores también identificaron ciertos bloques de construcción que tienden a producir materiales más estables. Una de las unidades de construcción secundarias con mayor estabilidad fue una molécula que contiene gadolinio, un metal de tierras raras. Otra era una porfirina con cobalto, una molécula orgánica de gran tamaño formada por cuatro anillos interconectados.
Los estudiantes del laboratorio de Kulik trabajan ahora en la síntesis de algunas de estas estructuras MOF y las prueban en el laboratorio para comprobar su estabilidad y su posible capacidad catalítica y de separación de gases. Los investigadores también han puesto su base de datos de materiales ultraestables a disposición de los investigadores interesados en probarlos para sus propias aplicaciones científicas.
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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