Siguiendo donde lo dejamos, quedamos en que hay tal cantidad de elementos metálicos y de elementos orgánicos, que harían falta muchos años de investigación en un laboratorio para probar todas las posibles combinaciones a fin de encontrar el mejor compuesto; y es precisamente a fin de subsanar ese importante lastre donde entra la simulación molecular por ordenador a fin de reducir el tiempo de búsqueda.
No obstante, y antes de meternos en materia con la simulación molecular, creo que cualquiera con un mínimo de inquietud podría plantear una duda razonable; esto es, tenemos clara la incuestionable y extraordinaria capacidad de adsorción de estos compuestos, también tenemos claro que son materiales cristalinos formados por la unión de un metal y un elemento orgánico, sin embargo... ¿cómo conseguimos crear artificialmente estas estructuras?, ¿cómo unimos estos centros metálicos con estos ligandos orgánicos de manera que formen estos complejos cristalinos?.
Uniendo las piezas
Para dar respuesta y sentido a estas preguntas tenemos que hacer un breve, pero obligado recorrido, por el campo de la nanotecnología y el principio de autoensamblaje.
La idea de fabricar materiales usando procedimientos de autoensamblaje proviene de la biología molecular, donde máquinas moleculares muy complejas se autoensamblan sin ningún control externo. A modo de símil, sería como si para montar un ordenador se mezclaran todas sus piezas en un recipiente con agua y después simplemente se agitara la mezcla.
Algunas sustancias como los ribosomas -las máquinas que producen las proteínas en las células- ofrecen un buen ejemplo real de este proceso. Todos los componentes de los ribosomas están unidos entre sí por enlaces débiles -fuerzas de van der Wals y enlaces de hidrógeno-, sin embargo existen sustancias, como los detergentes, que pueden anular estas fuerzas débiles y separar los componentes del ribosoma. Lo singular de todo esto, es que si se elimina el detergente, las partes se reagrupan correctamente y se obtiene nuevamente un ribosoma que funciona.
Tratando de reproducir este comportamiento, los científicos interesados en la fabricación de nanomateriales a partir de técnicas de autoensamblaje -como los Metal-Organic Frameworks-, se valen de nuestros conocimientos sobre la atracción y repulsión de las moléculas para ingeniar sistemas artificiales que funcionen de la misma forma que los ribosomas. De esta manera, y volviendo al caso que nos atañe, podemos servirnos del autoensamblaje para unir esos centros metálicos con los ligandos orgánicos y generar nuestros complejos cristalinos (MOFs).
La simulación molecular
Como ya apuntamos en la primera parte, la importancia de las simulaciones moleculares radica en que son capaces de proporcionar un aspecto único y detallado a escala molecular. Además permiten imitar y predecir el comportamiento de nuestro sistema con casi total exactitud.
Volviendo a usar el gas metano como ejemplo y teniendo presente la enorme complejidad que conlleva la simulación del gas metano interactuando con miles de millones de moléculas autoensambladas, se puede reducir enormemente el problema a la simulación del elemento repetido más pequeño, en este caso a una celdilla de nuestra estructura (Figuras 1 y 2).
Si tomamos esa celdilla y la sometemos a estudio, podemos por ejemplo predecir cómo de bueno será nuestro material cristalino almacenando metano si lo conectamos a un depósito imaginario y dejamos que nuestro cristal se llene con el gas hasta que el sistema alcance el equilibrio termodinámico (ver Figuras 3 y 4).
Una vez se alcanza este equilibrio, se generan miles de millones de configuraciones aleatorias con moléculas de metano en su interior, cada una de las cuales contribuye a un promedio estadístico que nos permitirá conocer la cantidad total de metano almacenado en nuestra "celdilla".
Pero este es el ejemplo de tan solo un posible material, y ya hemos comentado que hay multitud de posibles combinaciones. Usando un superordenador, podemos simular cientos de miles de materiales simultáneamente (ver Figura 5).
Cada material es generado por una serie de algoritmos informáticos desarrollados por equipos de investigación y programadores especializados, y luego son simulados para obtener las propiedades físicas. Esencialmente se pueden realizar millones de experimentos simulados mediante un superordenador en el tiempo que químicamente necesitaríamos para hacer una sola de estas estructuras organo-metálicas.
Los mejores materiales de estos cientos de miles son identificados por nuestra computadora y nosotros, una vez conocidos, simplemente nos debemos ocupar de crearlos "físicamente" en el laboratorio.
Con esto concluyo este serial dedicado a los Metal-Organic Frameworks deseando que, en parte al menos, os haya resultado un campo de investigación tan fascinante como a mí.
Hasta la próxima y... que la ciencia os acompañe.
Me ha encantado la serie.
ResponderEliminarGracias Marco. Son unos grandes desconocidos que cada día están más presentes (sin que la mayor parte de veces seamos conscientes) en nuestras vidas :-)
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