Investigadores decifram o código: um truque molecular abre caminho para uma nova geração de vidro
Vidros MOF com novas propriedades: uma molécula orgânica altera a estrutura de ligações durante a fusão
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Investigadores da Universidade Técnica de Dortmund, da Universidade de Paderborn, da Universidade de Duisburg-Essen e da Universidade de Oxford desenvolveram um novo método para modificar seletivamente a estrutura interna de tipos específicos de vidro. O estudo, publicado na revista «Nature Materials», mostra como a adição de uma molécula orgânica durante a fusão faz com que as ligações químicas no material se reorganizem. O processo reduz a temperatura de processamento necessária, impede a decomposição da substância e permite ajustar com precisão as propriedades magnéticas e óticas. Estes vidros especializados são utilizados, entre outras coisas, no armazenamento de gás, em baterias, em aplicações óticas e na catálise.
Vidros com propriedades especiais
«Descobrimos uma forma de modificar quimicamente a estrutura de vidros derivados dos chamados compostos de estrutura metal-orgânica — ou MOFs, na sigla em inglês — mesmo durante o processo de fabrico», explica o Prof. Dr. Sebastian Henke, da Universidade Técnica de Dortmund, que liderou o estudo. Para o conseguir, os especialistas utilizaram 1,10-fenantrolina. A molécula reduz o ponto de fusão, alterando simultaneamente a forma como os átomos de metal no vidro se ligam entre si. A principal vantagem é que os investigadores puderam, assim, desenvolver vidros com propriedades magnéticas ou emissoras de luz que, anteriormente, eram impossíveis de obter sem destruir o material através de calor extremo.
Vidro transformado a partir do seu interior através de modificação química
«Normalmente, o vidro forma-se quando um líquido fundido arrefece rapidamente. A estrutura sólida solidifica-se então sem que os átomos se organizem num padrão regular. Até agora, os investigadores tinham frequentemente de aceitar que a composição química destes vidros fosse ditada pelo material de partida», explica o Prof. Henke. A equipa demonstrou agora que isso nem sempre tem de ser assim. Isto porque os MOFs consistem em núcleos metálicos mantidos unidos por compostos orgânicos. Estas estruturas podem ser alteradas de forma fundamental enquanto se encontram no estado líquido, através da adição de fenantrolina. «O ponto crucial é que a molécula não se limita a permanecer como um enchimento», continua o Prof. Henke. «Ela entra numa reação. Assim, estamos a alterar a composição química precisamente no momento em que o material ainda se encontra no estado líquido.»
A chave molecular
Os cientistas misturaram a fenantrolina com as matérias-primas antes do aquecimento. O aditivo cumpre duas funções ao mesmo tempo: «Como fundente, a substância reduz a temperatura à qual o material derrete; como agente químico, a molécula liga-se diretamente aos átomos de metal e desloca parcialmente as ligações anteriores. No estado fundido, a molécula interfere no que se designa por ambiente de coordenação. Este termo descreve quantos vizinhos rodeiam um único átomo. Como a nova molécula se liga mais fortemente aos centros metálicos, o número de vizinhos aumenta», explica o Prof. Henke. O processo desencadeia uma reestruturação completa da rede vítrea. Ao ajustar a dosagem da molécula, os investigadores podem controlar a extensão desta reestruturação.
Produção a temperaturas mais baixas, resultados mais estáveis
Um efeito secundário prático do processo é a temperatura de fusão mais baixa. Muitos dos materiais estudados decompor-se-iam, de outra forma, antes de poderem ser transformados em vidro. O calor extremo destruiria a sua estrutura e produziria impurezas indesejadas. «Graças a este truque molecular, o material funde-se a temperaturas significativamente mais baixas e permanece estável. Estudos sobre vidros que contêm cobalto demonstraram que este processo mais suave impede a formação de produtos de decomposição nocivos», explica o Prof. Dr. Matthias Bauer, da Universidade de Paderborn. Isto é particularmente importante para as propriedades funcionais: é a única forma de detetar os efeitos magnéticos puros no vidro, que, de outra forma, teriam sido mascarados por impurezas.
As medições confirmam a hipótese
Foram utilizados métodos de medição de alta resolução para comprovar que a estrutura tinha, de facto, mudado. As técnicas convencionais de raios X atingem aqui os seus limites, uma vez que o vidro já não apresenta uma estrutura cristalina regular. O Prof. Bauer explica: «Em vez disso, utilizámos a espectroscopia de absorção de raios X, entre outras técnicas. Este método permitiu-nos investigar a vizinhança imediata dos átomos de cobalto.» Os dados das medições confirmaram a hipótese: embora os átomos mantenham o seu estado químico (estado de oxidação), o seu ambiente espacial altera-se significativamente. As ligações às moléculas vizinhas adaptam-se à nova molécula.
Do cristal ao componente funcional
O estudo demonstra que o processo não se limita a uma única classe de materiais. Os investigadores também testaram com sucesso o seu método nas chamadas estruturas de suporte à base de carboxilatos. Isto alarga significativamente as possibilidades de fabrico dos vidros. O Prof. Henke resume a importância para o futuro: «A massa fundida já não é um estado intermédio rígido. Torna-se um espaço de reação no qual podemos programar a estrutura.» Este controlo oferece perspetivas para aplicações futuras. No futuro, os vidros organometálicos poderão ser utilizados em catálise, como sensores ou na optoeletrónica. Uma vez que os centros metálicos podem agora ser manipulados de forma específica, abrem-se novos caminhos para o desenvolvimento de componentes que controlam com precisão a luz, o magnetismo ou as reações químicas.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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