18/11/2015 | CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES
Líquidos porosos, a la vanguardia de la química de materiales
El desarrollo de moléculas huecas en estado líquido combina las características de los sólidos porosos y de los líquidos. A futuro esas moléculas podrían usarse para retener en su interior sustancias de interés industrial.
Las moléculas huecas en estado sólido podrían retener en su interior sustancias de interés industrial. Imagen y foto de Mario G. Del Pópolo: gentileza investigador.
Las moléculas huecas en estado sólido podrían retener en su interior sustancias de interés industrial. Imagen y foto de Mario G. Del Pópolo: gentileza investigador.
Las moléculas huecas en estado sólido podrían retener en su interior sustancias de interés industrial. Imagen y foto de Mario G. Del Pópolo: gentileza investigador.

Por Mario G. Del Pópolo*

Los materiales porosos se utilizan como tamices moleculares, ya que pueden absorber y separar moléculas selectivamente según el tamaño y la forma de sus poros. Durante mucho tiempo sus propiedades han sido explotadas en la fabricación de dispositivos para retener líquidos o gases o para acelerar ciertas reacciones químicas. Si bien los materiales porosos tradicionales son muy diversos en cuanto a sus propiedades y funciones, todos ellos tienen una característica en común: el hecho de ser sólidos.

Los sólidos porosos prestan buen servicio en una gran variedad de tecnologías, pero también tienen algunas desventajas. Por ejemplo, no pueden ser bombeados fácilmente a través de una cañería, por lo que no se los usa en sistemas de flujo convencionales. Durante los últimos años nuestro grupo de trabajo en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UNCuyo ha colaborado estrechamente con investigadores en el Reino Unido, Francia y Alemania para diseñar y producir los primeros líquidos con porosidad permanente. El descubrimiento de esta nueva familia de materiales, a la que denominamos genéricamente ‘líquidos porosos’, ha sido reportado recientemente en la revista Nature.

Los líquidos porosos están formados por moléculas que tienen una cavidad interna en su estructura, o ‘hueco’, que les permite actuar como contenedores moleculares. Estos contenedores nanoscópicos se mezclan fácilmente, y en grandes cantidades, con solventes cuyas moléculas son demasiado voluminosas para ocupar el hueco molecular. Por lo tanto, cada una de las moléculas huecas que conforman el líquido permanece vacía, ofreciendo un espacio que puede ser ocupado por alguna sustancia que se pretenda almacenar. Los líquidos porosos combinan así la porosidad permanente y la capacidad absorbente propia de los sólidos porosos, con la fluidez característica de cualquier líquido. En esto radica la novedad de nuestro trabajo.

La presencia de cavidades persistentes en el fluido afecta apreciablemente sus propiedades físicas y químicas, tal como la capacidad de disolver metano o dióxido de carbono, dos gases con gran relevancia para el medio ambiente. Notablemente, las moléculas de metano disueltas en un líquido poroso tienden a ubicarse en el interior de los contenedores moleculares, en vez de ocupar las cavidades dinámicas que se forman entre las moléculas del líquido. A esta propiedad la denominamos absorción o disolución selectiva, y en principio puede ser modulada alterando el tamaño y la composición química del contenedor. Esta estrategia de trabajo permitiría producir líquidos con propiedades diseñadas a medida.

El desarrollo de los líquidos porosos llevó más de tres años, involucró a un equipo de trabajo multidisciplinario y se realizó en tres etapas: la primera vinculada al diseño en computadoras y estudio de propiedades moleculares; la segunda relacionada con la síntesis o producción del material real; y una tercera etapa que involucró el estudio de las propiedades del material obtenido en el laboratorio. El uso de simulaciones computacionales, en las cuales el movimiento de un conjunto de moléculas se resuelve en una supercomputadora, ha sido fundamental para poder predecir y entender las propiedades de estos nuevos materiales.

Es importante mencionar que la capacidad de absorción de gases de los líquidos porosos es todavía inferior a la de los mejores sólidos porosos. Resulta entonces prematuro hablar de aplicaciones tecnológicas inmediatas, sobre todo en lo referente a captura y almacenamiento de gases. Nuestro trabajo constituye mas bien la realización práctica de un concepto novedoso, que se espera tenga el potencial de generar futuros descubrimientos en el área de la química.

*Mario G. Del Pópolo es investigador independiente del CONICET y docente en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad Nacional de Cuyo. Es Doctor en Química por la Universidad Nacional de Córdoba. Sus líneas de trabajo se concentran en el uso de simulaciones computarizadas y mecánica estadística para investigar sistemas y procesos de interés para la biofísica y la materia condensada.