Cómo captar el agua del aire
Los investigadores descifran el mecanismo de adsorción subyacente de un material microporoso especial
Investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y de la Universidad Tecnológica de Dresde (TUD) han desentrañado el mecanismo de adsorción de agua en determinados materiales microporosos -los llamados marcos metalorgánicos jerárquicos (MOF)- sondeándolos a escala atómica. Descubiertos hace sólo unos 25 años, sus propiedades especiales no tardaron en granjearles la reputación de "materiales milagrosos", capaces incluso de captar el agua del aire. En la revista ACS Applied Materials & Interfaces, los investigadores describen cómo lo consigue este material.
"Estos materiales tan especiales son sólidos muy porosos hechos de metales o grupos de metal-oxígeno que están conectados de forma modular por pilares de sustancias químicas orgánicas. Esta disposición tridimensional da lugar a redes de cavidades que recuerdan a los poros de una esponja de cocina. Son precisamente estas cavidades las que nos interesan", afirma el Dr. Ahmed Attallah, del Instituto de Física de las Radiaciones del HZDR.
Esos poros a nanoescala son la base de la cornucopia de aplicaciones potenciales, que van desde el almacenamiento de gas a la tecnología de separación, pasando por la catálisis y los sensores novedosos, y la captación de agua como una de las más prometedoras.
Sondear el vacío
Para ello, el equipo sintetizó dos MOF basados en los metales circonio y hafnio, sujetos por el mismo armazón orgánico. A continuación, los científicos profundizaron en las características de los materiales obtenidos aplicando diversas técnicas complementarias. Por un lado, determinaron cuánto nitrógeno o vapor de agua podía quedar atrapado en los poros del material. Por otro, examinaron más de cerca el mecanismo exacto de adsorción de agua en los MOF, que hasta la fecha no se conocía bien. "Para arrojar luz sobre el proceso, utilizamos una técnica no destructiva conocida como espectroscopia de vida de aniquilación de positrones o, abreviado, PALS, en la que un positrón interacciona con electrones -sus antipartículas-, aniquilándose y liberando a continuación rayos gamma que pueden detectarse. El tiempo transcurrido entre la emisión de positrones procedentes de una fuente radiactiva y la posterior detección de rayos gamma es el tiempo de vida de los positrones. Ésta, a su vez, depende de la rapidez con la que se encuentran con los electrones", describe el principio el Dr. Andreas Wagner, director del Centro ELBE de Fuentes de Radiación de Alta Potencia de la HZDR.
Si hay huecos en el material, como nanoporos, los positrones y electrones tienden a formar los llamados átomos de positronio, con un electrón y un positrón cada uno, orbitando alrededor de su centro de masa común, yendo directos el uno hacia el otro hasta que el par de partículas se dispersa o se aniquila, lo que ocurra primero. Dado que estos átomos exóticos viven más tiempo en los vacíos más grandes, revelan información sobre el tamaño y la distribución del vacío. Los investigadores descubrieron que la adsorción de agua en los MOF se regía principalmente por un mecanismo de llenado escalonado, que incluía la formación de puentes líquidos en los poros. La adsorción de agua se veía influida por la formación de grupos de agua en la superficie de los poros, que creaban pequeños huecos de aire en los poros.
Exprimir el aire del desierto
"Debido al gran parecido químico de los metales circonio y hafnio, los marcos metalorgánicos resultantes tienen exactamente los mismos tamaños de poro y una gran estabilidad química, lo que nos permite evaluar al mismo tiempo la validez de nuestro método", explica el profesor Stefan Kaskel, catedrático de Química Inorgánica I de la Universidad Tecnológica de Dresde. La investigación de su grupo se centra en el desarrollo de nuevos materiales funcionales para diversas aplicaciones, como el almacenamiento y la conversión de energía, la catálisis medioambiental y la adsorción de agua.
Basándose en los resultados, los investigadores concluyen que su estudio aporta nuevos conocimientos sobre el mecanismo de adsorción de agua en MOF jerárquicos, lo que podría ayudar a diseñar mejores materiales para la captación de agua del aire, especialmente importante en regiones áridas. Al exponer los MOF al aire, pueden captar moléculas de agua de la atmósfera. Después, aplicando calor o reduciendo la presión, el agua puede liberarse y utilizarse. Los científicos ya piensan en el futuro: ¿Es la tecnología adecuada para soluciones comerciales? 1,3 litros de agua por kilogramo de MOF al día a partir del aire del desierto, según ha informado otro grupo sobre el terreno, da una idea de la magnitud del rendimiento alcanzable actualmente en la práctica.
Sin embargo, para obtener una solución global sostenible, hay que tener en cuenta otros factores además del rendimiento. "Para ampliar la captación de agua con MOF, éstos deben ser asequibles en grandes cantidades. Además, las rutas de síntesis tradicionales requieren grandes cantidades de disolventes orgánicos o la adquisición de bloques de construcción caros", señalan Kaskel y Attallah. Para evitarlos, en el futuro cobrarán impulso los procedimientos de síntesis "verdes" desarrollados recientemente, que garantizan una producción ecológica de los MOF. El equipo de Dresde ya se adhiere a esta idea siguiendo los principios de la química verde, como el uso de agua como disolvente, la ejecución de las reacciones a bajas temperaturas para ahorrar energía y el aprovechamiento de materiales de desecho como fuentes de metales y enlazadores orgánicos.
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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