Un equipo de ingenieros de la universidad de UCLA (California) y del Center for Reticular Chemistry del Instituto de Nanosistemas de UCLA ha puesto a punto un nuevo tipo de material ultraligero con una estructura cristalina y suficientemente poroso como para almacenar hidrógeno o cualquier otro gas, como el CO2.
El nuevo material es importante porque el uso del hidrógeno como fuente de energía constituye una de las alternativas al actual modelo energético, basado en combustibles fósiles.
El uso del hidrógeno como fuente de energía necesita tecnología de almacenamiento de este gas de forma eficaz y segura y es en esta línea que el logro del equipo de la UCLA adquiere toda su relevancia, ya que el recurso al hidrógeno está hoy mucho más cerca gracias al nuevo material cristalino y ultraligero, según Futura Sciences.
La idea que ha desarrollado este equipo, dirigido por Omar Yaghi, es la de utilizar bloques moleculares compuestos de elementos ligeros, como el carbono, el oxígeno y el boro, para formar a voluntad redes cristalinas basadas en bloques de moléculas orgánicas.
De esta forma, han conseguido redes moleculares que forman un sólido poroso, análogo a la zeolita, por ejemplo. Las zeolitas son aluminosilicatos con cavidades de dimensiones moleculares de 3 a 10 angstrom. Contienen iones grandes y moléculas de agua con libertad de movimiento, para así poder permitir el intercambio iónico.
Las redes sintetizadas por los químicos de la UCLA son conocidas como COF (Covalent Organic Framework), una especie de estructura molecular covalente. La estabilidad térmica de estas redes es importante, así como la superficie asociada, al mismo tiempo que la densidad obtenida es particularmente baja.
La más baja densidad
El sólido poroso denominado COF 108, resultado directo de esta investigación, tiene la más baja densidad conocida para un material cristalino. Un solo gramo de este sólido, debido a su porosidad, posee una superficie de 4.500 metros cuadrados, el equivalente a 30 pistas de tenis.
Este logro proporciona un sólido impulso a la así llamada química reticular, que permite crear una gran variedad de materiales, construidos con diferentes bloques moleculares. De esta forma es posible variar sus propiedades físicas, al igual que su porosidad, según aplicaciones.
Debido a su baja densidad, los COFs pueden utilizarse no sólo para almacenar hidrógeno y contribuir al desarrollo de una nueva fuente de energía, sino también almacenar gases de efecto invernadero, como el CO2, y evitar así daños medioambientales.
Según explica al respecto la UCLA en un comunicado, esta investigación ha servido para demostrar cómo los principios de diseño de la química reticular (que consiste en la conexión de bloques básicos de sustancias en estructuras predeterminadas como si fueran piezas de lego), pueden usarse para generar entramados orgánicos covalentes de tres dimensiones, construidos con enlaces covalentes.
Este tipo de enlaces se producen entre dos átomos no metales, cuando la diferencia de electronegatividad entre ambos no es lo suficientemente grande como para que se dé una transferencia de electrones. En esa situación, los átomos comparten uno o más pares de electrones dando lugar a una molécula.
Estructuras tridimensionales
Las estructuras tridimensionales generadas de esta forma están integradas por fuertes enlaces covalentes y tienen una gran estabilidad térmica (entre 400 y 500ºC), áreas de gran superficie (entre 3.472 y 4.210 metros cuadrados por gramo) y una densidad extremadamente baja (0,17 gramos por centímetro cúbico), explican los autores de la investigación en la revista Science.
Según Yaghi, “estos son los primeros materiales creados en los que los bloques orgánicos que los componen están vinculados por fuertes enlaces formando un entramado orgánico covalente. La clave es que la serie de materiales COFs está compuesta por elementos ligeros, como el boro, el carbono o el oxígeno, que le confieren estabilidad térmica y una gran funcionalidad”.
También baterías
La química reticular es la base de esta línea de investigación, ya que es la que permite crear materiales que pueden cambiarse casi a voluntad, así como la generación de nuevas clases de materiales con multitud de variedades.
Con la química reticular, Yaghi ha desarrollado un proceso que permite utilizar el arsenal de “bloques de construcción” orgánicos para formar un gran número de nuevas estructuras COF cuyos componentes pueden ser diseñados con facilidad para desempeñar aplicaciones determinadas. Según Yaghi, se trata de crear moléculas que serían como los ladrillos con los que un arquitecto construiría un edificio, siguiendo un diseño determinado.
Antecedente superado
Hace un año, Yaghi, en colaboración con investigadores de la universidad de Michigan llevaron a cabo otra investigación con entramados de materiales metálicos y orgánicos destinados a formar células de combustible de hidrógeno necesarias para alimentar coches, teléfonos móviles y otros dispositivos.
Se trata de los MOFs (Metal-Organic Framework), cuyos poros son de dimensión nanométrica y con una capacidad de almacenamiento de gases, como el metano o el hidrógeno, suficientemente importante como para almacenar carburante para los vehículos, baterías para los teléfonos móviles, ordenadores o cámaras digitales. La compañía alemana BASF, con sede en España, que tiene la licencia de esta tecnología, trabaja ahora en la comercialización de los MOFs.
Yaghi y sus colegas piensan sin embargo que los COFs son todavía más prometedores que los MOFs gracias a su baja densidad.