Observar cómo se forman los materiales energéticos
Con los ojos pegados a una transmisión en directo desde el interior de un recipiente de reacción, los investigadores observan cómo funcionan las reacciones químicas
Rodar una película en el laboratorio requiere un equipo especial. Sobre todo cuando los actores son moléculas -invisibles a simple vista- que reaccionan entre sí. "Imagínate intentar filmar pequeños flujos de lava durante una erupción volcánica. La cámara de tu smartphone no estaría a la altura. Primero tendrías que desarrollar un método especial para hacer visible la acción que quieres captar", explica el profesor Emiliano Cortés, catedrático de Física Experimental y Conversión de Energía de la LMU, también miembro del Clúster de Excelencia de e-conversión.
Pero el esfuerzo merece la pena, sobre todo cuando el producto de la reacción es un prometedor material energético: los llamados marcos orgánicos covalentes (COF). Esta clase de material, aún muy joven, tiene un gran potencial para aplicaciones en tecnología de baterías y fabricación de hidrógeno. Sin embargo, a pesar de 20 años de intensa investigación, los científicos no han sido capaces de dilucidar qué ocurre realmente durante la síntesis de los COF. Por ello, los materiales se desarrollan a menudo por ensayo y error.
Optimización de los procesos de síntesis
Éste también ha sido el caso de los COF, en los que varios componentes moleculares tienen que encontrar el lugar correcto durante la síntesis. Sólo entonces se forma la estructura porosa deseada en grandes superficies. "Averiguar por qué la síntesis sólo funciona en determinadas condiciones y no en otras me ha intrigado desde mis tiempos de máster. Nuestro planteamiento en este proyecto era utilizar las herramientas de la física para ayudar a los químicos en su trabajo. Queríamos arrojar más luz sobre los complejos procesos de síntesis y así optimizarlos", explica Christoph Gruber, que investiga este tema en el equipo de Cortés como parte de su tesis doctoral. Con este fin, los dos científicos se dirigieron al grupo de investigación de la química de la LMU Prof. Dana Medina, especializada en la síntesis de COFs, para establecer una colaboración.
Para el rodaje de la película con las estrellas moleculares, Gruber utilizó un microscopio especial. Con esta herramienta, el equipo consiguió seguir el mecanismo de formación de los COF a nivel nanométrico. Los investigadores de la LMU publicaron recientemente sus revolucionarios resultados en la revista Nature, acompañados de un vídeo que muestra en tiempo real los procesos que tienen lugar durante la síntesis.
El orden temprano es fundamental
La síntesis de los marcos moleculares exige sobre todo una cosa: un control preciso de la reacción y el autoensamblaje de los bloques moleculares presentes. "Sólo cuando se tiene este control es probable obtener una estructura altamente cristalina con un orden extenso y, en última instancia, la funcionalidad deseada", afirma Medina. "Sin embargo, nuestro conocimiento, sobre todo de las primeras etapas de nucleación y crecimiento, está lleno de lagunas. Y esto ha frustrado el desarrollo de protocolos de síntesis eficaces. Por eso nos intrigaba tanto visualizar la reacción a medida que se desarrollaba y centrarnos en las primeras etapas, cuando los componentes moleculares mezclados empiezan a reaccionar."
Precisamente por ahí empezó Gruber sus investigaciones, eligiendo lo que a primera vista parecería un método poco convencional para arrojar luz sobre la escena inicial de la formación del COF: la microscopía iSCAT. La abreviatura significa dispersión interferométrica, y los biofísicos suelen utilizar esta tecnología para investigar cosas como la interacción de las proteínas. "El principio de medición se basa en el hecho de que incluso las partículas más diminutas, formadas por unas pocas moléculas, dispersan la luz incidente. Si estas ondas de luz dispersas se superponen, obtenemos interferencias, como las ondas de agua en una piscina. Es decir, obtenemos ondas más grandes y más pequeñas en función de cómo se solapen las ondas. Grabamos estos patrones de luz con una cámara de alta resolución y, con el posterior procesamiento de imágenes, obtenemos imágenes que revelan, por ejemplo, partículas de COF a escala nanométrica", explica Gruber. Y aquí viene lo bueno: el método iSCAT es adecuado para captar procesos dinámicos y, por tanto, para realizar mediciones en tiempo real. Esto permite a los investigadores observar la síntesis en directo, por así decirlo.
Las gotas tienen talento
Inmediatamente después de iniciarse la reacción, los investigadores se sorprendieron al observar la presencia de estructuras diminutas en el medio de reacción transparente. "Las imágenes nos mostraron que las gotitas a escala nanométrica pueden desempeñar un papel esencial en la síntesis. Aunque son extremadamente pequeñas, controlan toda la cinética al principio de la reacción", afirma Gruber. "Hasta ahora no se sabía nada de su existencia, pero para la formación de los COF que estudiamos, las nanogotas resultaron ser extremadamente importantes. Si están ausentes, toda la reacción ocurre demasiado rápido y se pierde el orden deseado".
Utilizando el método iSCAT, el equipo de la LMU consiguió grabar una película que mostraba la formación de los entramados moleculares desde el principio, con una sensibilidad de apenas unos nanómetros. "Las técnicas existentes no podían captar en tiempo real el inicio de la reacción, con estos procesos a escala nanométrica y de milisegundos de duración", afirma Cortés. "Gracias a nuestra investigación, ahora hemos conseguido cerrar esta brecha en nuestros conocimientos. Al mismo tiempo, estamos obteniendo una imagen holística de las primeras etapas de la reacción y de la formación progresiva de los COF."
Síntesis energéticamente eficiente
Además, los investigadores utilizaron la película y los análisis resultantes para diseñar un concepto de síntesis energéticamente eficiente. "Basándonos en nuestros resultados, descubrimos cómo diseñar racionalmente las condiciones de reacción", explica Medina. "Añadiendo sal de mesa normal, por ejemplo, pudimos reducir masivamente la temperatura, de modo que los armazones moleculares se forman a temperatura ambiente en lugar de a 120 grados centígrados".
Los investigadores están convencidos de que sus resultados transformarán nuestra forma de pensar sobre la síntesis de los más de 300 COF diferentes y, por tanto, podrían impulsar avances en la producción industrial de COF. Además, los resultados podrían tener efectos de gran alcance en la síntesis de otros materiales y en reacciones químicas que aún no se han observado en tiempo real. Los investigadores de la LMU están entusiasmados con la idea de rodar nuevas películas con las moléculas como protagonistas.
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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