Materiales orgánicos porosos para adsorción de gases

Los materiales nanoestructurados con poros bien definidos son objeto de numerosos programas de investigación y desarrollo dedicados a su uso en la detección, el almacenamiento y la separación de gases. Zeolitas, arcillas, estructuras metal-orgánicas y óxidos metálicos mesoporosos se encuentran entre los materiales actualmente en desarrollo para aplicaciones en sectores como el medioambiental, el energético y el biomédico.

Los sólidos moleculares porosos pueden representar una alternativa importante. Estos compuestos orgánicos admiten modificaciones en cuanto a tamaño de poro y grupos funcionales que revisten los poros para conseguir una selectividad altísima. Además, los cambios dinámicos de la estructura molecular podrían aprovecharse en conmutadores o accionadores macromoleculares. El proyecto financiado con fondos europeos «Synthesis and characterization of porous molecular solids» (POMOS) se está centrando en calixarenos y peptoides cíclicos como bloques de construcción de dispositivos que aprovechan las interacciones gas-sólido a nivel atómico.

Tanto los calixarenos como los peptoides cíclicos son compuestos orgánicos macrocíclicos que forman cavidades capaces de alojar moléculas o iones de pequeño tamaño para formar un sistema hospedador-huésped. Los calixarenos ya se han utilizado con éxito como bloques de construcción de materiales nanoestructurados, mientras que los peptoides cíclicos permanecen relativamente sin explorar.

En experimentos preliminares del proyecto se han sintetizado y caracterizado ya nuevos calixarenos y peptoides cíclicos. Los resultados de la caracterización de calixarenos empleando técnicas de difracción de rayos X en monocristal y polvo así como análisis térmico se presentaron en la Reunión Europea de Cristalografía de 2013 y en dos artículos.

Se han ensayado asimismo compuestos basados en calixarenos para determinar sus propiedades de adsorción de gases en condiciones no ambientales utilizando una celda de gas fabricada al efecto. La configuración experimental utilizada permite a los investigadores caracterizar las interacciones hospedador-huésped con resolución atómica a fin de caracterizar los mecanismos de adsorción.

Los datos obtenidos utilizando la celda de gas en instalaciones de gran tamaño con radiación sincrotrónica y difracción de neutrones aportan un complemento a los demás métodos de caracterización. En esas instalaciones es posible llevar a cabo una difracción de rayos X en monocristal in situ cuando se obtienen únicamente monocristales muy pequeños (10 micras) y/o llevar a cabo una difracción de rayos X en polvo de alta resolución in situ cuando se obtienen únicamente polvos cristalinos.

Contar con estrategias efectivas de caracterización de la adsorción y liberación de gases por parte de los nuevos materiales moleculares porosos será crucial para el desarrollo de nuevos dispositivos de detección, separación y almacenamiento de gases. Tales dispositivos revisten un enorme interés comercial, por lo que el proyecto contribuirá a consolidar la posición de la UE en un importante mercado global.