Los ingenieros de la Universidad Rice han desarrollado una forma innovadora de crear estructuras orgánicas covalentes (COF), materiales especiales que pueden usarse para atrapar gases, filtrar agua y acelerar reacciones químicas. Los COF tienen el potencial de abordar importantes desafíos ambientales, incluidos el ahorro de energía y el control de la contaminación. Un ejemplo de esto son los “productos químicos permanentes” o su uso potencial en la descontaminación de sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS).
El ingeniero químico de Rice, Rafael Verduzco, y su equipo han descrito una nueva forma de sintetizar COF de alta calidad a bajo coste y con alto rendimiento en un estudio publicado en la revista Science. ACS está implementado Materiales e interfaces que aparecerá en la portada de futuros números de la revista. El trabajo incluye un análisis cuidadoso de las ventajas y desventajas de diferentes métodos de síntesis y detalla una forma versátil y rentable de producir COF. Se trata de un microrreactor multiflujo y una cuidadosa calibración del proceso de entrada-salida.
“Hemos desarrollado un sistema de producción pequeño y continuo, como una minifábrica en una mesa de laboratorio, donde los componentes de COF se mezclan y reaccionan en un flujo constante en lugar de hacerlo todos a la vez en un contenedor grande”, dijo Safia Khalil, de Rice. Alumnos de doctorado que son los primeros autores del estudio.
Los investigadores también descubrieron que los COF producidos mediante síntesis de flujo son mejores que los elaborados utilizando otros métodos para descomponer el ácido perfluorooctanoico (PFOA), un compuesto de PFAS relacionado con varios riesgos para la salud, incluidos el cáncer y los daños reproductivos.
“Este es un hallazgo alentador que se suma a la creciente evidencia de que los COF pueden surgir como un actor clave en el desarrollo de tecnologías más limpias y eficientes para eliminar contaminantes”, dijo Verduzko, profesor y presidente asociado de ingeniería química y biomolecular en Rice, quien es un autor correspondiente sobre el estudio.
Los COF son polímeros cristalinos compuestos de pequeñas unidades repetidas que están unidas a una estructura microscópica similar a una esponja. Estos materiales se distinguen por su porosidad, gran superficie y estructura molecular ajustable, propiedades que pueden explotarse para su uso en una amplia gama de aplicaciones, incluidos semiconductores, sensores, administración de fármacos y filtración. Sin embargo, el lento y costoso proceso de fabricación de COF ha limitado su implementación generalizada.
“Esperamos que este enfoque facilite la producción de grandes cantidades de COF y ayude a acelerar el descubrimiento de nuevas formulaciones”, dijo Khalil, quien obtuvo un doctorado. en ingeniería química y biomolecular de Rice, donde formó parte del Laboratorio de Ingeniería de Polímeros de Verduzco.
Khalil comparó el nuevo método con hacer galletas por encargo en lotes pequeños en lugar de hornearlas todas juntas en un lote grande. Aunque esta no es la primera vez que se utiliza la síntesis del reactor de flujo para producir COF, el enfoque de los investigadores de Rice difiere de los enfoques anteriores porque integra la síntesis y el procesamiento continuos de dos químicas diferentes de COF, lo que da como resultado una gama más diversa de estructuras macroscópicas.
“Este método le permite tener galletas recién hechas de manera constante mientras controla la temperatura y mezcla en cada paso para obtener la mejor calidad en todo momento”, dice Khalil. “Este proceso es más rápido, utiliza menos energía y permite un mejor control sobre el producto final”.
La síntesis tradicional de COF implica altas temperaturas, altas presiones y el uso de disolventes orgánicos tóxicos, lo que limita la producción y el uso a gran escala. La técnica de síntesis de flujo de los investigadores no solo permite una producción rápida de COF sino que también permite la producción de COF con mayor cristalinidad.
La evidencia adicional de que uno de los COF recientemente sintetizados fue muy eficiente para descomponer una “sustancia química eterna” demuestra los beneficios prácticos del nuevo enfoque. El proceso de descomposición, conocido como degradación fotocatalítica, se activa con la luz y ocurre a temperatura ambiente.
“Imagínese estos COF como poderosas esponjas con ‘motores de luz solar’ incorporados que pueden descomponer sustancias químicas nocivas mucho más rápido que los métodos actuales”, dijo Khalil. “Uno de los COF que sintetizamos fue más eficaz para descomponer el PFOA que los materiales tradicionales como el dióxido de titanio, un fotocatalizador común utilizado en el control de la contaminación”.
La investigación contó con el apoyo del Ministerio de Educación de los Emiratos Árabes Unidos y la Fundación Welch (C-2124).