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Un antiguo método de fabricación de vidrio permite desarrollar nuevos materiales porosos para capturar gases y almacenar energía.
Un equipo internacional liderado por investigadores de la Universidad de Birmingham y la TU Dortmund University ha logrado adaptar principios clásicos de la química del vidrio para mejorar una nueva familia de materiales conocidos como MOF glasses, o vidrios basados en estructuras metal-orgánicas.
El resultado no es un simple ajuste de laboratorio. Puede abrir la puerta a tecnologías más eficientes para capturar CO₂, gestionar hidrógeno verde y desarrollar sistemas avanzados de filtración y almacenamiento.
Los MOF (Metal-Organic Frameworks) son materiales porosos formados por redes de metales y moléculas orgánicas. Su estructura interna recuerda a una esponja microscópica llena de cavidades capaces de atrapar gases o líquidos específicos.
En los últimos años se han convertido en una de las líneas de investigación más prometedoras dentro de la ciencia de materiales. Su enorme superficie interna les permite interactuar con moléculas concretas de forma muy eficiente y, por eso, se estudian para aplicaciones tan distintas como: captura de carbono, purificación de agua, almacenamiento de hidrógeno, baterías, catálisis química, sensores ambientales y membranas industriales.
El problema es que muchos MOF son difíciles de fabricar a gran escala. Algunos resultan frágiles, otros pierden estabilidad al calentarse y varios requieren procesos industriales complejos y caros. Y aquí es donde entra en juego el llamado vidrio MOF, especialmente materiales como el conocido ZIF-62, capaz de fundirse y enfriarse manteniendo parte de su porosidad interna. Esa característica lo convierte en un candidato muy interesante para tecnologías de separación de gases y membranas selectivas.
El nuevo estudio demuestra que añadir pequeñas cantidades de compuestos con sodio o litio modifica la estructura del vidrio y reduce la temperatura necesaria para trabajarlo. Además, cambia su comportamiento mecánico y mejora su fluidez durante el calentamiento. Y es que, en la industria de materiales, bajar incluso unas pocas decenas de grados en un proceso térmico puede marcar diferencias enormes en consumo energético y viabilidad económica.
En esta ocasión, los investigadores aplicaron una estrategia utilizada desde hace siglos en los vidrios de silicato convencionales. En la fabricación tradicional del vidrio se añaden ciertos compuestos químicos para romper parcialmente la red estructural y modificar propiedades como la dureza, la elasticidad, el punto de fusión, la viscosidad o la resistencia térmica.
Ese mismo principio se trasladó ahora a los vidrios híbridos metal-orgánicos.
El sodio no se limita a rellenar huecos vacíos dentro del material. Los análisis revelaron que algunos iones de sodio sustituyen átomos de zinc dentro de la estructura, relajando parcialmente la conectividad interna del vidrio. Esa pequeña alteración cambia por completo el comportamiento térmico del material.
Comprender lo que ocurría a escala atómica no era sencillo. El equipo utilizó técnicas avanzadas de resonancia magnética nuclear en estado sólido (NMR) a altas temperaturas, realizadas en la instalación británica UK High-Field Solid-State NMR Facility.
Además, investigadores liderados por Andrew Morris y Mario Ongkiko emplearon modelado computacional asistido por inteligencia artificial para interpretar los complejos datos experimentales. Por otro lado, la IA permitió simular cómo interactúan los iones de sodio con la red del vidrio y validar los resultados obtenidos en laboratorio.
El hidrógeno verde requiere materiales capaces de almacenar y transportar gases de forma segura y eficiente. Uno de los grandes cuellos de botella sigue siendo precisamente el almacenamiento.
Los MOF llevan años apareciendo como candidatos prometedores porque pueden retener moléculas de hidrógeno dentro de sus estructuras porosas. Si además estos materiales se vuelven más fáciles y baratos de fabricar, sus posibilidades industriales aumentan muchísimo.
También existe interés en utilizar MOF en procesos de separación de gases industriales, especialmente para capturar CO₂ en cementeras, siderurgia o plantas químicas. Sectores difíciles de descarbonizar, donde cualquier mejora tecnológica importa.
Además, la Unión Europea lleva tiempo impulsando este tipo de desarrollos a través de programas de innovación industrial y materiales avanzados vinculados al Pacto Verde Europeo y a la estrategia de neutralidad climática para 2050.
En este sentido, llos investigadores reconocen que todavía se necesita más trabajo para:
Aun así, el estudio marca un avance importante porque establece una nueva “arquitectura de diseño” para este tipo de vidrios. En otras palabras: ya existe una base más sólida para crear materiales personalizados según la aplicación concreta.
Los vidrios MOF modificados podrían convertirse en piezas importantes dentro de futuras infraestructuras bajas en carbono. Especialmente en sectores donde reducir emisiones sigue siendo muy complicado.
Su capacidad para capturar gases selectivamente puede ayudar a desarrollar sistemas más eficientes de almacenamiento de hidrógeno y captura de carbono industrial. También podrían aparecer en membranas avanzadas para purificación de agua o filtrado químico.
Si la reducción de temperatura de fabricación se confirma a escala industrial, estos materiales podrían requerir menos energía para producirse, reduciendo parte de su huella ambiental.
En ciudades más densas y contaminadas, materiales capaces de filtrar gases específicos o integrarse en recubrimientos inteligentes tendrían aplicaciones interesantes en edificios, transporte e industria química.
Referencia: Birmingham University
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