Resumen:
En el campo de la ciencia de los materiales, el vidrio ha atraído mucha atención debido a su estructura atómica desordenada única y su amplia gama de aplicaciones diarias e industriales. Sin embargo, la incontrolabilidad durante el procesamiento a temperaturas extremadamente altas ha restringido durante mucho tiempo el desarrollo de nuevos vidrios funcionales. Un equipo internacional conjunto de investigación científica de la Universidad de Birmingham (Reino Unido) y la Universidad TU Dortmund (Universidad TU Dortmund) en Alemania ha logrado avances importantes. Los investigadores se basaron inteligentemente en antiguas estrategias químicas utilizadas en la fabricación tradicional de vidrio de silicato durante miles de años y lograron con éxito una reconstrucción precisa y un control químico de la estructura atómica interna del vidrio con estructura metalorgánica (MOF) durante el proceso de fusión, otorgando a este tipo de material de vanguardia nuevas propiedades físicas y ventajas de procesamiento.
Como nuevo material híbrido inorgánico-orgánico que combina profundamente iones metálicos con ligandos orgánicos, el vidrio MOF (como ZIF-62) tiene una estructura microporosa única y muestra un gran potencial de aplicación en los campos de captura de dióxido de carbono, almacenamiento de hidrógeno, desalinización de agua de mar y separación avanzada de membranas. Sin embargo, el vidrio MOF tradicional a menudo necesita calentarse a temperaturas superiores a 300 °C para ablandar y derretir. Esta temperatura está extremadamente cerca del límite de descomposición térmica del propio material, lo que no sólo aumenta en gran medida la dificultad del procesamiento y moldeo industrial a gran escala, sino que también destruye fácilmente su estructura porosa clave.
Para superar este cuello de botella en el procesamiento, el equipo de investigación científica centró su atención en la antigua tecnología de modificación del vidrio. En la industria del vidrio tradicional, los trabajadores suelen añadir una pequeña cantidad de compuestos de metales alcalinos, como sodio o litio, a la arena de sílice para reducir el punto de fusión y la viscosidad. Los investigadores transfirieron esta lógica al campo del vidrio MOF y lograron una intervención eficiente en la red de conexión atómica interna del material mediante la introducción de trazas de compuestos de sodio o litio durante el proceso de fusión de ZIF-62.
Para revelar este proceso de modificación química a escala atómica, el equipo de investigación utilizó la instalación nacional británica de resonancia magnética nuclear (RMN) de estado sólido de alto campo para llevar a cabo experimentos de espectroscopía de RMN de estado sólido de alta temperatura y la combinó con modelado computacional de aprendizaje automático basado en inteligencia artificial para observar la interacción entre el aditivo y la red de vidrio en tiempo real. Los datos muestran que los iones de sodio agregados no solo llenan los microporos dentro del material, sino que también reemplazan directamente algunos átomos de zinc, disociando localmente y reconstruyendo la estrecha red reticular original. Esta reorganización de la microestructura reduce significativamente la temperatura de ablandamiento del material y mejora en gran medida su fluidez en estado fundido, conservando al máximo las características de los poros originales del material.
Los expertos de la industria señalaron que esta investigación demostró con éxito que el principio de modificación del vidrio de silicato tradicional es totalmente aplicable a los modernos materiales híbridos organometálicos complejos. Al reescribir con precisión la estructura química y atómica del vidrio MOF en estado fundido, los investigadores no solo han reducido el consumo de energía de fabricación y el umbral del proceso de este tipo de materiales de alto rendimiento, sino que también han abierto un amplio camino científico para el desarrollo futuro de nuevos vidrios de ingeniería de próxima generación con funciones específicas de adsorción de gas, catálisis y separación altamente selectiva.
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