Las herramientas de análisis químico de precisión que utilizaron los arqueólogos y los ingenieros de materiales de alta tecnología lograron hallar evidencia de la sorprendente sofisticación de los artesanos vidrieros del mundo antiguo. El vidrio soplado con aditivos metálicos como el cobalto, con su tinte azulado, cubría sitios culturales en toda la Ruta de la Seda, ya desde el segundo milenio antes de Cristo. El cristal de Egipto y la Mesopotamia de la Era de Bronce tardía contenía cobre, creando así un reluciente tono verdoso como las esmeraldas, y se comerciaba en la Grecia micénica.
En Alemania y Reino Unido ahora unos científicos adaptaron algunos de los viejos trucos de la química vidriera tradicional para contribuir al avance de un logro del siglo 21: cristal ZIF (zeolitic iidazolate framework), hecho para los sensores, la electrónica, los catalizadores y la captura del carbono. El cristal ZIF mezcla átomos de metal y moléculas orgánicas con base de carbono, creando así una nueva categoría de vidrio que no tiene sílice sino que consiste de estructuras cristalinas complejas y poros microscópicos que pueden atrapar los gases invernadero para almacenar carbono o fotones de luz en fibra óptica.
El cristal ZIF y los cristales de marco metal-orgánico (MOF) no han sido fáciles de producir en masa. Afortunadamente estos investigadores encontraron un antiguo truco que consiste en compuesto de bencimidazol, utilizados los tradicionales vidrieros y cristaleros de la antigüedad ya conocían y utilizaban.
“El cristal forma parte de la civilización humana desde hace milenios”, declaró Dominik Kubicki, coautor del nuevo trabajo y químico de la Universidad de Birmingham. “Desde la antigua Mesopotamia a los modernos cables de fibra óptica se han usado modificaciones químicas menores para facilitar el proceso y cambiar las propiedades funcionales de este material”, explicó.
Engañar al cristal
Kubicki y sus colegas querían ver si lograban reproducir en el ZIF algunos de los métodos singulares de producción del vidrio de sílice.
“Nos inspiramos en cómo se modificaban los cristales convencionales de sílice, perturbando la estructura para afinar su comportamiento en el fundido, y sus propiedades mecánicas”, explicó Sebastian Henke, colaborador de Kubicki y químico en la Universidad TU Dortmund de Alemania.
“Nuestro estudio muestra que se puede trasladar el mismo principio a los cristales híbridos de metal y material orgánico”, dijo Henke.
El equipo utilizó como aditivos el benzimidazol de sodio y de litio en sus experimentos, probando cómo se modificaban las propiedades de una forma de cristal ZIF llamado ZIF-62. Con el añadido de zinc, este cristal de metal-orgánico demostró ser útil para separar selectivamente el dióxido de carbono de las mezclas de gas rico en nitrógeno (como el aire que respiramos) en una tasa de 34,5 a uno.
El benzimidazol de sodio demostró servir para crear cristal ZIF-62 que podía absorber dióxido de carbono en tasas ajustables, revelando un aumento de alrededor del 26% en el volumen total de poros necesarios para este proceso.
Los dos aditivos mostraron que podían reducir la temperatura de transición del cristal ZIF-62, es decir el calor necesario para poder doblar o manipular la forma del cristal. En particular, el benzimidazol de sodio logró reducir la temperatura de 294°C a 161°C.
Kubicki señaló que los cristales MOF como el ZIF-62 suelen “ablandarse únicamente a temperaturas muy elevadas, cercanas a los 300 °C, lo que es peligrosamente cercano a su temperatura de descomposición, y presenta dificultades en la manufactura, limitando su uso ampliado”.
“Este descubrimiento revela que hay nuevas posibilidades para los futuros materiales de alta performance”, afirmó.
Trucos antiguos
Las pruebas de los investigadores para poder fabricar cristal a medida de su propósito muestran que los cristales de tipo ZIF y MOF tienen un “marco de transferencia”, según indican en el trabajo publicado este mes en Nature Chemistry. Su éxito abre oportunidades para probar una cantidad de modificadores de la vieja escuela de los vidrieros, en materiales novedosos en el futuro cercano.
Hay aspectos de sus pruebas para el ajuste del tamaño de los poros que el equipo señala como “paralelos del proceso Vycor”, desarrollado en la década de 1930 por el químico Martin Nordberg en el gigante del vidrio Corning. El cristal Vycor, además de sus variantes de membrana porosa, demostró ser altamente resistente al calor y los ácidos, lo que hizo que fueran ideales para las ventanas de las naves espaciales como las de las misiones Gemini de la NASA.
Según la Universidad de Birmingham, Henke, Kubicki y su equipo anticipan que la próxima fase de su proyecto requerirá que logren mayor estabilidad en los materiales y que prueben “su utilidad en tecnologías del mundo real”.
Henke afirmó que “es un avance que acerca a los cristales MOF a la fabricación en el mundo real”.
