Mi idea con esta mini-serie de publicaciones sobre los MOFs, en las que no supondré conocimientos previos por parte del lector y que en principio se compone de dos partes, es basarme en mi trabajo y experiencia para dar a conocer una fascinante -y creo que semidesconocida- área de conocimiento que está cobrando ya gran relevancia en procesos de adsorción, catálisis, biología y medicina. Os voy a presentar unos materiales que van a revolucionar prácticamente todas las tecnologías de nuestra sociedad.
¿Qué son los Metal-Organic Frameworks y por qué son tan importantes?.
Para responder a esta pregunta, y que nadie se pierda, he pensado en utilizar el ejemplo sencillo de un tanque de combustible.
El problema con los tanques de combustible de hoy en día, es que sólo nos resultan útiles para almacenar combustibles líquidos tales como la gasolina. Y es una pena, porque hay combustibles gaseosos como el hidrógeno o el metano que son infinitamente mejores para el medio ambiente e incluso más eficientes -energéticamente hablando-, pero como las moléculas gaseosas tienden a expandirse tan lejos como pueden, un tanque de combustible ordinario sólo permite contener una muy pequeña cantidad de estos combustibles gaseosos, por lo que en la práctica no resultan interesantes.
Sin embargo, si nos fijáramos a nivel microscópico en las paredes de un tanque de combustible lleno de metano, nos daríamos cuenta que en esa zona el metano no se expande tanto como pudiéramos prever. Eso es porque el metano, al igual que todos los gases, es atraído por las superficies (ver Figura 1).
Este hecho nos invita a sugerir una simple mejora en el diseño de nuestro tanque de combustible: extender las paredes del tanque hacia el interior para aumentar el área superficial. Con esta simple modificación logramos que la nueva superficie atraiga nuevas moléculas de metano, lo que a su vez permitirá almacenar más metano en nuestro tanque que antes (ver Figura 2).
Si repitiéramos esta misma modificación tantas veces como fuera posible, aumentaríamos considerablemente el área superficial y por consiguiente la cantidad total de metano almacenable en el interior de nuestro tanque de combustible (ver Figura 3).
Si imaginamos que el depósito de la imagen anterior tuviera un volumen total de 50 litros, con
nuestra modificación tendríamos 1 metro cuadrado de metano almacenado en su superficie.
Es cierto que la mejora propuesta no está nada mal pero la pregunta es ¿podríamos hacerlo mejor?. Y la respuesta es "sí", podemos.
Una idea igualmente simple pero más eficaz que la anterior, sería sencillamente llenar nuestro tanque de arena. Cada grano de arena añadiría una pequeña y nueva cantidad de área superficial, y dentro de nuestro tanque cabrían millones de esos granos de arena, por lo que aumentaríamos significativamente la cantidad de metano que podríamos almacenar.
Suponiendo que llenamos de arena un depósito de las mismas dimensiones, tendríamos
un total de 100 metros cuadrados de superficie interior (cien veces mayor que la
propuesta anterior).
¿Y qué pasa sin en lugar de con arena llenamos el tanque con múltiples cristales de Metal-Organic Frameworks (ver Figura 4)?
Y es en este punto donde os cuento qué son los Metal-Organic Frameworks y el motivo de su importancia.
Abusando de alguna que otra palabra técnica y resumiéndolo tanto como se me ocurre, podríamos decir que los MOFs son una clase de materiales cristalinos, formados por la unión de centros metálicos a través de ligandos orgánicos, con la intención de generar estructuras que se extienden en el espacio en varias dimensiones.
Esa sería una definición más o menos rigurosa, pero lo que realmente nos importa es que los MOFs, a diferencia de la arena, son materiales excepcionalmente porosos (cada cristal contiene miles de millones de poros idénticos), lo que permite, siguiendo con el ejemplo anterior, que el metano entre dentro de esas cavidades cristalinas multiplicando así, de forma exponencial, el área superficial disponible y por ende la cantidad total de combustible admisible en el tanque.
Si llenamos de cristales de MOF un depósito de las mismas dimensiones que los ejemplos
anteriores tendríamos nada más y nada menos que 50 millones de metros cuadrados de
superficie interior (el equivalente a diez mil campos de fútbol).
Pero si prestamos atención a la definición que he dado antes, he dicho que los Metal-Organic Frameworks están formados por centros metálicos y ligandos orgánicos, y la realidad es que hay muchos productos químicos orgánicos y no menos metales, por lo que en principio habría infinitas combinaciones posibles que darían lugar a la misma cantidad de posibles nuevos materiales. Entonces ¿cuál es la mejor de estas combinaciones?. ¿Cuál es el mejor MOF?.
Lo cierto es que harían falta muchos años de investigación en laboratorio para probar todas las posibles reacciones y comprobar todos los materiales resultantes. Por suerte no necesitamos fabricar "físicamente" cada uno de estos materiales para encontrar "el mejor", sino que podemos valernos de la simulación molecular utilizando como única herramienta de investigación un ordenador.
Las simulaciones moleculares proporcionan un aspecto único y detallado del sistema a escala molecular e incluso permiten imitar y predecir el comportamiento de nuestro sistema, y es por ello que son increíblemente útiles para investigar a fin de encontrar la mejor configuración posible de Metal-Organic Frameworks.
Y hasta aquí la primera parte de esta mini-serie de anotaciones sobre estos revolucionarios materiales. Continuaré en este punto en la próxima entrega deseando que, al menos parte de lo que os he contado hasta el momento, os haya resultado tan interesante como a mí cuando empecé a trabajar en ello.
Hasta la próxima.
[Puedes leer la segunda parte aquí.]
Entonces en tu opinión, ¿en pocos años encontraremos gasolineras con tanques de hidrógeno, donde puedan repostar nuestros coches cuyo depósito contiene los MOFs para almacenar más combustible?
ResponderEliminarHombre, en primer lugar no estaríamos hablando de "gasolineras" sino de "hidrogeneras" o "metaneras" (siguiendo con el ejemplo del post) :-).
ResponderEliminarPor desgracia no creo que la aplicación literal sea precisamente en el tanque de combustible de un coche; no imagino el dinero que habría que llevar encima para pagar el llenado de un depósito equivalente a diez mil campos de fútbol, aunque sabiendo que la eficacia de un motor alternativo alimentado con H2 es casi 3,5 veces la de un motor de explosión de gasolina convencional, posiblemente podrían utilizarse depósitos más pequeños donde una pequeña cantidad de cristales MOFs fuesen suficientes para almacenar una cantidad de combustible prudente.
De todos modos he usado el ejemplo del tanque de combustible porque creo que es bastante gráfico. Al menos hasta hoy en día la aplicación principal de este tipo de materiales está más enfocada a la captura de gases (como el CO2 que es a lo que yo me dedicaba allí) que al almacenamiento. Imagina la cantidad de gases contaminantes que podría almacenar, por ejemplo, un filtro relleno de cristales MOFs.
Por favor me puedes indicar donde tienes la seguna parte pues el link no sirve
EliminarEl principal problema de usar combustibles gaseosos es su almacenaje, como tu has dicho, ¿ Se reduciría el riesgo de explosiones y fugas con estos materiales?. Aunque no sea su uso principal, lo veo como una posible solución a la problemática que siempre se le ha puesto a los gases, sabiendo que no vamos a repostar 50 campos de fútbol de una tacada...
ResponderEliminarSin duda el riesgo de fugas se reduce drásticamente, sobre todo si además impregnas las paredes de los poros con líquido iónico, dependiendo del gas que quieras adsorber, de forma que aumente la selectividad de ese gas. Concretamente con el CO2 usábamos C4mim con resultados, en la teoría al menos, muy muy buenos.
ResponderEliminarPor desgracia no sé decirte mucho acerca del riesgo de explosión. Hablando siempre desde mi experiencia, con las simulaciones moleculares nos limitábamos a analizar el comportamiento y la posición de cada molécula del gas dentro de los poros de la estructura. Podíamos extraer importantes conclusiones termodinámicas, pero también es cierto que no trabajábamos con gases explosivos, por lo que esas consideraciones no tenían cabida.
De todas formas, por si te interesa el tema, me extenderé un poco más sobre las simulaciones moleculares en el siguiente post.
Me ha encantado el post Luis, la verdad es que has conseguido casi captar más mi atención que cuando me has hablado del mismo en persona, jejeje.
ResponderEliminarSiempre me gustaron bastante los temas de adsorción y parece que estos materiales pueden ser toda una revolución en el campo.
Me ha gustado también que lo relaciones con el tema de los combustibles alternativos y, en concreto, con los gaseosos, que por lo general son más desconocidos que los líquidos. Me guardo el derecho a un post sobre ellos...
¡Gracias Zaratuste! Sólo con la comparativa que hago en el post, usando campos de fútbol como unidad de medida a fin de comprender la magnitud, uno se puede hacer una idea de, como dices, la revolución que pueden suponer estos materiales. Me alegra que te haya gustado el tema.
ResponderEliminarLa verdad es que sí que es interesante. Digo yo que en caso de usar estos MOF's como combustibles, en lugar de tener un tanque de almacenamiento de combustible de 50 litros, sería suficiente con uno de por ejemplo 1 litro ¿no?, ya que aún así seguiría suponiendo un gran volumen de combustible repostado.
ResponderEliminarGracias Mariano. A decir verdad creo que incluso con uno de 0,1 litros sería más que suficiente, como dices seguiría siendo una barbaridad de combustible repostado.
ResponderEliminarHola, acabo de conocer este blog y ya me encanta!
ResponderEliminarEstudio ingeniería ambiental y solo queria decirte que este post me ha hecho decirme por el trabajo de fin de carrera: Captura de CO2 mediante solidos MOF.
A ver si me lo dan
Un saludo
Hola anónimo y muchas gracias. Desde luego saber que este post puede servir de inspiración a alguien a la hora de tomar una decisión de ese calibre es estupendo. Que tengas mucha suerte :-).
ResponderEliminarUn saludo
Si adsorbes un gas, como lo desorbes?, con temperatura no se puede pues los MOFs se descompondrian.
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