Um vidro capaz de prender fisicamente dióxido de carbono dentro da sua própria estrutura parece o tipo de material em que vale a pena investir. Durante quase uma década, investigadores tentaram torná-lo viável para fabrico.
O problema era simples e, ao mesmo tempo, limitador: este vidro só começa a amolecer a uma margem mínima da temperatura em que se desintegra, o que deixa uma janela de processamento demasiado estreita para a maioria das técnicas industriais.
A solução que desbloqueou a questão veio de um lugar pouco óbvio - não de química nova, mas de química muito antiga.
Recuperar uma ideia antiga
O atalho é quase tão antigo quanto o próprio vidro: sílica, mais um “modificador” à base de sódio, mais calor. O modificador interrompe o suficiente a rede rígida da sílica para que a mistura amoleça a temperaturas alcançáveis por um forno comum.
O Dr. Dominik Kubicki, químico na University of Birmingham (UoB), liderou este trabalho em conjunto com o Professor Sebastian Henke, da TU Dortmund University. A pergunta que colocaram foi direta: seria possível transferir este truque para uma classe de vidro que nem existia há uma geração?
“Da antiga Mesopotâmia aos modernos cabos de fibra óptica, pequenas quantidades de modificadores químicos facilitam o processamento do vidro e alteram as suas propriedades funcionais”, disse Kubicki.
Vidro que aprisiona gás
Este tipo mais recente de vidro começa por ser um material cristalino conhecido como estrutura metal-orgânica (MOF), no qual átomos metálicos ocupam posições fixas e moléculas orgânicas os ligam entre si.
Uma estrutura em particular, a ZIF-62, funde a temperaturas elevadas e, ao solidificar de novo, transforma-se num vidro transparente.
O que a torna invulgar é o que permanece após a fusão: minúsculos bolsões de espaço vazio distribuídos pela estrutura sólida. Esses espaços conseguem reter gás. Dióxido de carbono, hidrogénio e até vapor de água ficam alojados no material, em vez de o atravessarem.
Esta categoria tem pouco mais de uma década. Foi descrita pela primeira vez num estudo de 2015 sobre MOFs que fundem e solidificam sob a forma de vidro.
Estas características fazem da ZIF-62 um candidato forte para captura de carbono, armazenamento de hidrogénio e membranas seletivas.
Ainda assim, a ZIF-62 só amolece acima de 572°F (300°C) - perigosamente perto do ponto em que começa a degradar-se, o que torna o fabrico lento e delicado.
Baixar o ponto de fusão
A equipa de Kubicki combinou pó de ZIF-62 com pequenas doses de um composto com sódio que utiliza os mesmos conectores orgânicos já presentes na ZIF-62.
A mistura foi selada num cadinho de aço e aquecida até cerca de 840°F (449°C).
A temperatura de amolecimento desceu rapidamente. O vidro de ZIF-62 puro amolece a 561°F (294°C); com a maior dose de sódio adicionada, esse valor caiu para 322°F (161°C) - mais de 200°F (111°C) abaixo.
Quando aquecido, o líquido quente também passou a fluir com maior facilidade.
Para onde foi o sódio
Para perceber o que o sódio estava, de facto, a fazer dentro do vidro, um grupo em Birmingham, liderado por Kubicki e pelo Dr. Benjamin Gallant, recorreu a varrimentos de ressonância magnética de alta potência.
Esta técnica mostra como os átomos individuais se organizam num sólido - mesmo quando esse sólido não tem um padrão interno regular.
Uma segunda equipa em Birmingham, liderada pelo Professor Andrew Morris, analisou esses sinais com um modelo de aprendizagem automática. O modelo gerou simulações de arranjos atómicos plausíveis no interior do vidro.
Como o sódio altera o vidro
O retrato que surgiu apanhou-os de surpresa. O sódio não estava apenas a entrar nos poros vazios. Em vez disso, parecia inserir-se nos cantos da estrutura - em locais que, ao que tudo indica, são normalmente ocupados por átomos de zinco que mantêm a estrutura coesa.
Essa substituição aparenta afrouxar a rede sem a destruir. Até este estudo, ninguém tinha identificado diretamente onde o sódio e metais semelhantes se fixam dentro de um vidro MOF.
Saber com precisão onde o sódio se instala é o que torna o método controlável. Ao apontar para esse local específico, os investigadores podem ajustar deliberadamente o ponto de amolecimento.
Lavar para o retirar
Depois, a equipa fez algo que a indústria do vidro de silicatos pratica desde a década de 1930: mergulhou o vidro modificado em água e observou a evolução.
As ligações do sódio à rede do vidro dissolvem-se em água; já as ligações do zinco - que sustentam a estrutura principal - não se dissolvem.
Ao fim de vários dias, grande parte do sódio foi lixiviada, ficando um vidro com cerca de 26% mais volume de poros do que o original.
São estes poros adicionais que permitem ao vidro capturar ou filtrar moléculas gasosas. O processo aumentou o espaço de armazenamento disponível sem obrigar a fundir e refazer o material.
Métodos desenvolvidos em investigação anterior sobre porosidade em vidros MOF confirmaram que estes novos espaços estão abertos às moléculas de gás, e não são apenas bolhas seladas no interior do material.
O lítio também funciona
Para verificar se o efeito dependia do sódio, a equipa repetiu todo o procedimento com um modificador à base de lítio.
O mesmo padrão voltou a observar-se: o ponto de amolecimento desceu, a estrutura ficou mais solta e a porosidade foi ajustada do mesmo modo quando exposta à água.
O princípio parece não se limitar a um único elemento. Isso sugere que os investigadores poderão recorrer a uma gama mais ampla de modificadores químicos para obter alterações semelhantes em vidros MOF.
O que muda a partir daqui
Quem tentasse fabricar vidros MOF em escala enfrentava sempre a mesma limitação: o material amolecia a temperaturas demasiado próximas do ponto em que começa a desintegrar-se. A abordagem com modificadores afasta esse limite em centenas de graus.
A lixiviação dá ainda uma segunda via para afinar o material. É possível aumentar ou reduzir o volume de poros sem alterar a “receita” do vidro.
Isto cria espaço para membranas de separação de gases, revestimentos para captura de carbono e materiais de armazenamento de gás que antes eram pouco práticos de moldar ou extrudir. Uma temperatura de trabalho mais baixa altera aquilo que os fabricantes conseguem construir.
Há muito que especialistas suspeitavam que os vidros MOF poderiam aproveitar truques da vidraria convencional.
Este novo trabalho fornece a química subjacente, com regras de conceção que ligam a dose de modificador ao ponto de amolecimento e à quantidade de espaço vazio que o vidro final consegue manter.
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