Dij12092021

Darrera actualitzacióDij, 02 Des 2021 2pm

Back Estàs aquí:Inicio Nous materials Laboratoris Descubriendo la estructura de los materiales

Descubriendo la estructura de los materiales

There is no translation available.

El conocimiento de la estructura cristalina de una material permite prever, hasta cierto punto, su comportamiento. También permite optimizar el material para la aplicación prevista o incluso encontrar nuevas aplicaciones.

El conocimiento de la estructura cristalina de una material permite prever, hasta cierto punto, su comportamiento. También permite optimizar el material para la aplicación prevista o incluso encontrar nuevas aplicaciones. Esto es lo que hace un equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, donde han resuelto estructuras como la del cemento aluminoso o las de unas nuevas zeolitas más eficientes para el refinado del petróleo.

En el laboratorio de difracción de rayos X del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) disponen de herramientas y conocimiento para descubrir la estructura cristalina de materiales que contengan hasta a 500 átomos independientes en la celda elemental, a partir simplemente de un solo conjunto de intensidades difractadas.

También disponen de metodología para obtener la estructura cristalina de sustancies en polvo (tanto de materiales inorgánicos como de compuestos orgánicos, por ejemplo fármacos) o de superficies sobre sustratos cristalinos (difracción de superfícies). Entre sus trabajos, destaca la resolución del cemento aluminoso y, más recientemente, la estructura de una nueva zeolita sintetizada en el Instituto de Tecnología Química, centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia.

Optimizar el proceso de síntesis

En el ámbito de la química inorgánica, prever la estructura de un material antes de haber desarrollado su síntesis es casi imposible. La razón es que no se puede prever cómo se organizarán los átomos en la cristalización del material (las posibilidades son muchas). Pero sí que se puede hacer el proceso inverso: resolver la estructura del material después de sintetizarlo y, una vez conocida la estructura, modificar el proceso de síntesis para mejorar o adaptar la estructura a las necesidades específicas.

Eso es lo que han hecho investigadores del Instituto de Tecnología Química, (centro mixto CSIC- Universidad Politécnica de Valencia) y del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona del CSIC, en un trabajo recientemente publicado en la revista Nature.

Desde hace tiempo, en el Instituto de Tecnología Química se investiga en la síntesis de nuevos catalizadores que faciliten la conversión de fracciones cada vez más pesadas del petróleo (gasoil) en fracciones más ligeras de alto valor añadido (gasolina, por ejemplo). Actualmente, este proceso de refino del petróleo se efectúa sobretodo con catalizadores basados en la estructura de la zeolita faujasita (por ejemplo, la zeolita USY-1), que requieren costosos tratamientos postsintéticos.

Los poros de estas zeolitas, que son diminutos catalizadores, actúan como filtros moleculares, mientras que las grandes cavidades que tienen dentro son los «reactores» donde se rompen (cracking) las cadenas largas de gasoil dando a cambio los productos derivados más ligeros como la gasolina o el propileno.

Lo que los investigadores se preguntaban era si se podía obtener una zeolita que, manteniendo el tamaño de los poros y de las cavidades, tuviera más vías de acceso a las grandes cavidades, es decir, si se podía superar el número de cuatro cavidades que hay en la Faujasita, ya que eso comportaría muy probablemente un aumento sustancial del rendimiento.

Para conseguirlo, el equipo del ITQ estuvo trabajando en el proceso de síntesis de diversos materiales. En el proceso añadieron germanio e iones fluoruro al gel de sílice, materiales que favorecen la formación de estructuras cristalinas más abiertas y más adecuadas para lo que se estaba buscando.

Después de obtener y de probar diversas zeolitas en el laboratorio, vieron que la más eficaz era la que bautizaron como ITQ-21, con rendimientos más altos que la zeolita USY-1.

El resultado más espectacular es que el rendimiento en propileno es casi el doble que el obtenido con la tecnología actual basada en la mezcla de zeolitas USY-1 y ZSM-5. Una vez obtenidos los resultados positivos de esta nueva zeolita, había que descubrir cuál era su estructura.

Una estructura más eficiente de 6 vías

Eso es lo que hicieron en el Laboratorio de Difracción de rayos X del ICMAB. La imagen tridimensional de la estructura cristalina a partir de los datos de difracción de polvo se pudo recuperar de les intensidades difractadas gracias a un proceso (XLENSÒ) desarrollado en el ICMAB.

Tal como dedujeron los investigadores a partir de la imagen calculada, la ITQ-21 es un material nanoporoso que presenta poros y cavidades tan grandes como la USY-1 pero, y esta es la diferencia importante, posee seis vías de acceso. Por eso la zeolita ITQ-21 es capaz de romper muy eficientemente las moléculas largas y producir gasolina de alto octanaje y propileno.

Actualmente, los investigadores trabajan para optimizar el proceso de síntesis tanto por lo que respecta a la mejora en las prestaciones del material (que sea más estable y capaz de soportar altas temperaturas) como en la reducción de los costes de producción.

La ITQ-21, que ya ha sido patentada por el ITQ, también puede servir para obtener microláseres, interruptores moleculares, sensores o polímeros emisores de luz

Nuevas aplicaciones para el cemento aluminoso

Otro trabajo reciente del Laboratorio ha sido la resolución del cemento aluminoso, desarrollado en colaboración con el Departamento de Cristalografía de la Universidad de Barcelona, y publicado en la revista Angewandte Chemie.

Según este trabajo, la estructura cristalina de la fase dominante del cemento aluminoso hidratado está formada por cadenas discretas y paralelas de octaedros de aluminio, conectados a través de anillos triangulares de calcios en coordinación ocho. «Las cadenas aisladas de octaedros de aluminio se forman muy rápido, por eso el cemento se endurece tan rápidamente», explica Jordi Rius, investigador del ICMAB que ha resuelto la estructura de este material.

La porosidad de esta fase acaba siendo la vía de entrada de los agentes químicos que provocan la transformación química irreversible que limita el uso del cemento aluminoso como elemento de carga. En casos extremos que dependen de factores como las condiciones del fraguado, la temperatura y la circulación del agua a través del material, entre otros, se puede llegar al colapso de la estructura.

Los investigadores creen que esta porosidad podría ser aprovechada para otras aplicaciones, por ejemplo, para atrapar dentro del cemento aluminoso metales pesados. Una vez colapsada la estructura, permanecerían fijados dentro, dejando de interaccionar con el entorno.