Bajo presión se expande en lugar de comprimirse, generando estructuras porosas con múltiples aplicaciones potenciales

Los investigadores de este Laboratorio parecen estar desafiando a las leyes de la física al haber encontrado una manera de ejercer presión para conseguir que un material se expanda en lugar de comprimirse, como cabría esperar.

“Es como apretar una piedra y que se forme una esponja gigante”, explica Karena Chapman, químico del Departamento de Energía de EEUU en un comunicado del Argonne National Laboratory.

“Se supone que los materiales se adensan y se compactan bajo presión. Pero estamos viendo justo lo contrario. El material que hemos sometido a presión (con la nueva técnica) tiene la mitad de densidad que en su estado original. Esto contradice las leyes de la física “, añade la investigadora.

Como este comportamiento parecía imposible, Chapman y sus colaboradores pasaron varios años haciendo pruebas hasta llegar a creer lo increíble. En cada uno de sus experimentos, obtuvieron los mismos resultados asombrosos.

Posibles aplicaciones

El descubrimiento realizado no sólo podría hacer que se reescribiesen los libros de texto de ciencias, sino que además podría duplicar la variedad de materiales con estructuras porosas disponibles para fabricación, funciones sanitarias o de sostenibilidad ambiental.

Estos nuevos materiales, con orificios parecidos a los de las esponjas, podrían usarse para atrapar, almacenar y filtrar otros materiales. La forma de sus agujeros permite que éstos sean selectivos con moléculas específicas y, en consecuencia, puedan funcionar como filtros de agua, como sensores químicos o como medio de almacenamiento de compresión, por ejemplo, para el secuestro del dióxido de carbono de células de combustible de hidrógeno.

Además, adaptando las velocidades de liberación de los materiales “atrapados” en los agujeros, se podría “dirigir” el suministro de fármacos o determinar el inicio de reacciones químicas que produzcan de todo, desde plásticos hasta alimentos. Los detalles de este avance han sido publicados en el Journal of the American Chemical Society.

Los científicos pusieron cianuro de Zinc – Zn(CN)2 – en una celda de yunque de diamante, que es un dispositivo utilizado en experimentos científicos que permite comprimir una pequeña pieza (de tamaño sub-milimétrico) de material hasta presiones extremas. Luego introdujeron todo en el Advanced Photon Source (APS), una fuente de radiación sincrotrón de rayos X ubicada en el Argonne National Laboratory.

En este entorno, el cianuro de Zinc fue sometido a altas presiones – de entre 0,9 y 1,8 gigapascales, el equivalente a entre 9.000 y 18.000 veces la presión atmosférica a nivel del mar-. Este nivel de presión está dentro del marco de presión reproducible por la industria en sistemas de almacenamiento a granel.

Aplicando distintos fluidos en torno al material a medida que éste era sometido a la presión, los científicos consiguieron crear cinco nuevas fases de material. Dos de éstas mantuvieron su capacidad porosa bajo una presión normal.

El tipo de fluido utilizado en el proceso determinó la forma de los poros generados. Esta es la primera vez que se consigue, con presión hidrostática, hacer que un material denso se transforme en un material poroso. “Este descubrimiento probablemente doble la cantidad de materiales porosos disponibles, lo que ampliará en gran medida su uso en farmacia, en el secuestro o separación de materiales o en catálisis”, afirma Chapman.

Estado de los electrones en el cristal de metal líquido formado a partir de cemento. Fuente: Argonne National Laboratory.

También han transformado el cemento en metal

El pasado mes de mayo, el Argonne National Laboratory publicaba otro avance en formación de materiales muy llamativo: el descubrimiento de una fórmula que permite convertir el cemento líquido en metal líquido.

Aplicando un proceso conocido como captura electrónica, los científicos lograron transformar el cemento en un semiconductor, lo que permitiría usarlo en el sector de la electrónica para crear películas finas, revestimientos de protección o chips computacionales.

Este “nuevo” cemento tiene además propiedades muy positivas, como una mejor resistencia a la corrosión que un metal tradicional, menor fragilidad que los cristales, menor pérdida energética, y una fluidez mayor, que favorece su procesamiento y su moldeamiento.

Para su obtención, los investigadores sometieron la mayenita‎ (un componente de los cementos de alúmina) a diferentes atmósferas y a temperaturas de 2.000 ºC usando un haz de láser. Todo se hizo con un levitador aerodinámico que evitó que el líquido resultante tocara cualquier superficie del contenedor (este tipo de levitación permite establecer variaciones en la presión ejercida por gases para mantener los objetos en una posición estable).

Una vez enfriado, el líquido formó unos cristales que pueden capturar los electrones de la manera que precisa la conducción electrónica. Los electrones atrapados proporcionaron un mecanismo de conductividad similar al que permiten los metales.

Los científicos señalaron en este caso que comprender cómo el cemento puede convertirse en metal líquido abre la posibilidad de convertir otros sólidos de aislamiento en semiconductores que funcionen a temperatura ambiente. Los resultados de este otro estudio aparecieron en la revista Proceeding of the National Academy of Sciences.

Referencias bibliográficas:

Saul H. Lapidus, Gregory J. Halder, Peter J. Chupas, Karena W. Chapman. Exploiting High Pressures to Generate Porosity, Polymorphism, And Lattice Expansion in the Nonporous Molecular Framework Zn(CN)2. Journal of the American Chemical Society (2013). DOI: 10.1021/ja4012707.

Jaakko Akolaa, Shinji Koharad, Koji Oharad, Akihiko Fujiwarad, Yasuhiro Watanabee, Atsunobu Masunoe, Takeshi Usukif, Takashi Kubog, Atsushi Nakahirag, Kiyofumi Nittad, Tomoya Urugad, J. K. Richard Weberh y Chris J. Benmorei. Network topology for the formation of solvated electrons in binary CaO–Al2O3 composition glasses. PNAS (2013). DOI: 10.1073/pnas.1300908110.

Recomendado por el contertulio Don Julian Luque.

Fuente: Tendencias21 Una publicación de temas científicos que lleva a cabo una buena divulgación de todo lo que en el mundo de la Ciencia se mueve.

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