Os cientistas adaptaram técnicas químicas usadas na fabricação tradicional de vidro para melhorar um futuro material chamado vidro de estrutura metal-orgânica (MOF). Feitos de átomos metálicos ligados por moléculas orgânicas, esses materiais são valorizados por sua capacidade de reter gases como dióxido de carbono e hidrogênio, e até água.
Uma equipe de pesquisa internacional composta por cientistas da TU Dortmund e da Universidade de Birmingham química natural 4 de maio. Seu trabalho mostra que o vidro MOF pode ser ajustado e projetado usando métodos semelhantes aos usados há muito tempo para o vidro tradicional.
Os pesquisadores descobriram que a introdução de pequenos compostos contendo sódio ou lítio alterou a estrutura e o comportamento do material. Esses aditivos diminuem a temperatura de amolecimento do vidro, permitindo que ele flua mais facilmente quando aquecido, simplificando a fabricação.
Esta descoberta cria uma nova estrutura para projetar óculos MOF personalizados com tecnologias avançadas. As aplicações potenciais incluem separação de gases, armazenamento de produtos químicos, revestimentos avançados e sistemas de energia limpa.
Dr. Dominic Kubicki, da Universidade de Birmingham, disse: “O vidro faz parte da civilização humana há milhares de anos. Da antiga Mesopotâmia aos modernos cabos de fibra óptica, pequenas quantidades de modificadores químicos facilitam o processamento do vidro e alteram suas propriedades funcionais.
“No entanto, o vidro MOF só amolece em altas temperaturas (acima de 300°C) próximas à sua temperatura de degradação, tornando a fabricação um desafio e limitando aplicações mais amplas. Esta descoberta abre novas possibilidades para futuros materiais de alto desempenho.”
O sódio altera a estrutura do vidro MOF
ZIF-62, um dos vidros MOF mais conhecidos, é um material poroso que pode ser derretido e resfriado em vidro, mantendo alguns poros internos. Esses poros o tornam útil em aplicações como separação de gases, membranas e catálise.
O professor Sebastian Henke da TU Dortmund explica: “Nossa abordagem é inspirada nas formas tradicionais de modificar vidros de silicato: interrompendo a estrutura da rede para ajustar o comportamento de fusão e as propriedades mecânicas.
“Nossa pesquisa mostra que os mesmos princípios podem ser aplicados a vidros orgânicos mistos metálicos. Este avanço aproxima os vidros MOF da fabricação e aplicações do mundo real em separação de gases, armazenamento, catálise e muito mais.”
Para entender exatamente como o aditivo de sódio altera o material, os pesquisadores utilizaram técnicas analíticas avançadas. Cientistas da Universidade de Birmingham, liderados pelos drs. Dominik Ku bicki e Benjamin Gallant conduziram estudos de nível atômico da estrutura do vidro modificado e conduziram experimentos de espectroscopia de RMN de estado sólido de alta temperatura na instalação de ressonância magnética nuclear (RMN) de estado sólido de alto campo do Reino Unido.
Seu trabalho revelou como os íons de sódio se integram à rede do vidro e enfraquecem algumas das conexões dentro da estrutura.
Modelagem de inteligência artificial revela mudanças em nível atômico
Outra equipe de Birmingham, liderada pelo professor Andrew Morris e pelo Dr. Mario Ongkiko, usou modelos computacionais baseados em inteligência artificial para ajudar a interpretar dados complexos de RMN. Simulações assistidas por aprendizado de máquina mostraram como o sódio interage com o vidro em nível atômico, confirmando os resultados experimentais.
Uma combinação de resultados experimentais e computacionais mostra que o sódio faz mais do que apenas ocupar espaço vazio dentro do material. Em vez disso, alguns átomos de sódio substituíram os átomos de zinco, afrouxando ligeiramente a estrutura do vidro e alterando suas propriedades.
Agora que os cientistas sabem melhor sobre como modificar estes materiais, os investigadores dizem que é necessário trabalho adicional para melhorar a sua estabilidade, prever com mais precisão o seu comportamento e avaliar o seu desempenho em tecnologias do mundo real.
O estudo envolveu pesquisadores da TU Dortmund, da Universidade de Birmingham, da Ruhr-Universität Bochum, da Universidade SRM, da Universidade Técnica de Munique e da Universidade de Cambridge.
