Os cientistas adaptaram uma técnica química usada na fabricação tradicional de vidro para melhorar um material futurista conhecido como vidro de estrutura metal-orgânica (MOF). Esses materiais são feitos de átomos metálicos ligados por moléculas orgânicas e são valorizados por sua capacidade de reter gases como dióxido de carbono e hidrogênio, e até mesmo reter água.
Uma equipe de pesquisa internacional, que incluiu cientistas da Universidade Técnica de Dortmund e da Universidade de Birmingham, relatou as descobertas em Química da natureza 4 de maio. Seu trabalho mostra que os vidros MOF podem ser ajustados e projetados usando técnicas semelhantes às usadas há muito tempo para o vidro convencional.
Os pesquisadores descobriram que a introdução de pequenos compostos químicos contendo sódio ou lítio alterou tanto a estrutura quanto o comportamento do material. Os aditivos diminuem a temperatura na qual o vidro amolece e facilitam o fluxo quando aquecido, o que pode simplificar a produção.
A descoberta fornece uma nova estrutura para o desenvolvimento de óculos MOF customizados para 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 milênios. Da antiga Mesopotâmia aos modernos cabos de fibra óptica, pequenas quantidades de modificadores químicos tornam o vidro mais fácil de trabalhar e alteram suas propriedades funcionais.
“No entanto, os vidros MOF apenas amolecem em altas temperaturas – acima de 300 °C – perto de sua temperatura de degradação, tornando a produção desafiadora e limitando o uso mais amplo. Esta descoberta abre novas possibilidades para futuros materiais de alto desempenho.”
O sódio altera a estrutura do vidro MOF
Um dos vidros MOF mais conhecidos é o ZIF-62, um material poroso que pode ser derretido e resfriado em vidro, enquanto retém algum vapor interno. Esses vapores o tornam útil para aplicações como separação de gases, membranas e catálise.
O professor Sebastian Hencke, da Universidade TU Dortmund, explicou: “Nossa abordagem é inspirada na forma como os vidros de silicato convencionais foram modificados: interrompendo a estrutura da rede para ajustar o comportamento de fusão e as propriedades mecânicas.
“Nossa pesquisa mostra que o mesmo princípio pode ser transferido para vidros híbridos metal-orgânicos. Este progresso aproxima o vidro MOF da produção e aplicações do mundo real em separação de gases, armazenamento, catálise e muito mais.”
Para entender exatamente como a adição de sódio alterou o material, os pesquisadores utilizaram técnicas analíticas avançadas. Cientistas da Universidade de Birmingham liderados pelo Dr. Dominik Kubicki e Benjamin Gallant realizaram estudos da estrutura do vidro modificado em nível atômico e realizaram experimentos de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) de estado sólido no Reino Unido.
Seu trabalho mostrou como os íons de sódio se integram à rede do vidro e enfraquecem algumas das ligações dentro da estrutura.
Simulações de inteligência artificial revelam mudanças no nível atômico
Outra equipe de Birmingham, liderada pelo professor Andrew Morris e pelo Dr. Mario Ongkik, usou modelagem computacional assistida por IA para ajudar a interpretar os complexos dados de RMN. Simulações com aprendizado de máquina mostraram como o sódio interage com o vidro em nível atômico, confirmando os resultados experimentais.
Descobertas experimentais e computacionais combinadas mostraram que o sódio não ocupa simplesmente vazios no material. Em vez disso, alguns átomos de sódio substituem os átomos de zinco, afrouxando ligeiramente a estrutura do vidro e alterando suas propriedades.
Agora que os cientistas têm uma melhor compreensão de como modificar estes materiais, os investigadores dizem que é necessário mais trabalho para melhorar a sua estabilidade, prever com mais precisão o seu comportamento e avaliar a sua eficácia em tecnologias do mundo real.
O estudo envolveu pesquisadores da Universidade Técnica de Dortmund, da Universidade de Birmingham, da Universidade do Ruhr de Bochum, da Universidade SRM-AP, da Universidade Técnica de Munique e da Universidade de Cambridge.
