Materiales nanoporosos

Los materiales nanoporosos consisten en una fase orgánica o inorgánica regular en la que está presente una estructura porosa. Los materiales nanoporosos presentan diámetros de poro que se cuantifican de forma más apropiada utilizando unidades de nanómetros . Por lo tanto, el diámetro de los poros en los materiales nanoporosos suele ser de 100 nanómetros o menor. Los materiales nanoporosos incluyen subconjuntos de materiales mesoporosos (con poros típicos de tamaños entre 2 y 50 nanómetros ) y microporosos (poros típicos con diámetros <2 nm). ^{[ 1 ]} Los poros pueden ser abiertos o cerrados, y la conectividad de los poros y la fracción de vacío varían considerablemente, al igual que en otros materiales porosos. Los poros abiertos son poros que se conectan a la superficie del material, mientras que los poros cerrados son cavidades de espacio vacío dentro de un material masivo. Los poros abiertos son útiles para técnicas de separación molecular, adsorción y estudios de catálisis. Los poros cerrados se utilizan principalmente en aislantes térmicos y para aplicaciones estructurales. ^{[ 2 ]}

La mayoría de los materiales nanoporosos pueden clasificarse como materiales a granel o membranas. El carbón activado y las zeolitas son dos ejemplos de materiales nanoporosos a granel, mientras que las membranas celulares pueden considerarse membranas nanoporosas. ^{[ 3 ]} Un medio poroso o un material poroso es un material que contiene poros (huecos). La parte estructural del material se suele denominar «matriz» o «estructura». Los poros suelen estar llenos de un fluido (líquido o gas).

1. Existen numerosos materiales nanoporosos naturales, pero también se pueden fabricar materiales artificiales. Un método para ello consiste en combinar polímeros con diferentes puntos de fusión, de modo que al calentarse uno de ellos se degrade. Un material nanoporoso con poros de tamaño uniforme tiene la propiedad de permitir el paso únicamente de ciertas sustancias, bloqueando el paso de otras. ^{[ 3 ]}

El término nanomateriales abarca diversas formas de materiales con diversas aplicaciones. Según la IUPAC , los materiales porosos se subdividen en 3 categorías: ^{[ 4 ]}

• Materiales microporosos : 0,2–2 nm ^{[ 5 ]}
• Materiales mesoporosos : 2–50 nm ^{[ 6 ]}
• Materiales macroporosos : 50–1000 nm ^{[ 6 ]}

Estas categorías entran en conflicto con la definición clásica de materiales nanoporosos, ya que tienen diámetros de poro entre 1 y 100 nm. ^{[ 2 ]} Este rango abarca todas las clasificaciones mencionadas anteriormente. Sin embargo, para simplificar, los científicos optan por usar el término nanomateriales y enumerar su diámetro correspondiente. ^{[ 2 ]}

Los materiales microporosos y mesoporosos se distinguen como clases de materiales separadas debido a las distintas aplicaciones que ofrecen los tamaños de poro en estos materiales. De manera confusa, el término microporoso se usa para describir materiales con tamaños de poro más pequeños que los materiales comúnmente denominados simplemente nanoporosos. Más correctamente, los materiales microporosos se entienden mejor como un subconjunto de los materiales nanoporosos, es decir, materiales que presentan diámetros de poro menores de 2 nm. ^{[ 1 ]} Al tener diámetros de poro con escalas de longitud de moléculas, estos materiales permiten aplicaciones que requieren selectividad molecular, como membranas de filtración y separación . Los materiales mesoporosos, que generalmente se refieren a materiales con diámetros de poro promedio en el rango de 2 a 50 nm, son interesantes como materiales de soporte de catalizadores y adsorbentes debido a sus altas relaciones de área superficial a volumen.

En ocasiones, la clasificación por tamaño se complica debido a que algunos materiales porosos presentan diámetros variados. Por ejemplo, los materiales microporosos pueden tener pocos poros con diámetros de 2 a 50 nm debido al empaquetamiento aleatorio de los granos. ^{[ 4 ]} Estas particularidades deben tenerse en cuenta al categorizar por tamaño de poro.

Además de la clasificación por tamaño, los materiales nanoporosos se pueden clasificar en materiales de red orgánicos e inorgánicos . ^{[ 4 ]} Un material de red es la estructura que alberga los poros y donde el medio (gas o líquido) interactúa con el sustrato. ^{[ 4 ]} Si bien existen numerosas membranas nanoporosas inorgánicas, hay pocas orgánicas debido a problemas de estabilidad. ^{[ 7 ]}

Los materiales orgánicos nanoporosos son polímeros formados por elementos como boro, carbono, nitrógeno y oxígeno. ^{[ 8 ]} Estos materiales suelen ser microporosos, aunque también existen estructuras mesoporosas/microporosas. ^{[ 8 ]} Entre ellos se incluyen los marcos orgánicos covalentes (COF), los marcos de triazina covalentes, los polímeros de microporosidad intrínseca (PIM), los polímeros hiperreticulados (HCP) y los polímeros microporosos conjugados (CMP). ^{[ 8 ]} Cada uno de ellos presenta estructuras y procesos de fabricación diferentes. En general, para crear materiales orgánicos nanoporosos, se disuelve un monómero con más de dos ramificaciones (es decir, enlaces covalentes ) en un disolvente . Tras añadir monómeros adicionales y producirse la polimerización , se elimina el disolvente y la estructura resultante se considera un material nanoporoso. ^{[ 8 ]}

Los materiales nanoporosos orgánicos se pueden clasificar en redes cristalinas y amorfas . ^{[ 8 ]} Las redes cristalinas son materiales con tamaños de poro bien definidos. Estos tamaños son tan precisos que, simplemente cambiando el monómero, se pueden obtener diferentes tamaños de poro. ^{[ 8 ]} Los COF son un ejemplo de este tipo de estructura cristalina. Por el contrario, los materiales nanoporosos amorfos presentan una distribución de tamaños de poro y suelen ser desordenados. Un ejemplo son los PIM. Ambas categorías tienen diversas aplicaciones en la adsorción de gases y en reacciones de catálisis. ^{[ 8 ]}

Los materiales nanoporosos inorgánicos son materiales porosos que incluyen el uso de materiales de tipo óxido, carbono, binarios y de metales puros. Algunos ejemplos son las zeolitas , la alúmina nanoporosa y los nanotubos de dióxido de titanio. ^{[ 4 ]} Las zeolitas son tectoaluminosilicatos hidratados cristalinos. Este material es una combinación de metales alcalinos/alcalinotérreos, alúmina e hidratos de sílice. Se utilizan para lechos de intercambio iónico ^{[ 9 ]} y para la purificación de agua. ^{[ 10 ]} La alúmina nanoporosa es un material biocompatible ampliamente utilizado en diversos implantes dentales y ortopédicos. ^{[ 11 ]} Los nanotubos de dióxido de titanio también se utilizan en ortopedia, pero son especiales ya que pueden formar una capa de óxido de titanio al exponerse al oxígeno. ^{[ 12 ]} Debido a que la superficie del material está protegida por óxido, este material tiene una excelente biocompatibilidad con una increíble resistencia mecánica. ^{[ 12 ]}

El almacenamiento de gases es crucial para aplicaciones energéticas, médicas y ambientales. Los materiales nanoporosos permiten un método único de almacenamiento de gases mediante adsorción . ^{[ 13 ]} Cuando el sustrato y el gas interactúan, las moléculas de gas pueden adsorberse fisiológicamente o unirse covalentemente al material nanoporoso, lo que se conoce como almacenamiento físico y almacenamiento químico, respectivamente. ^{[ 14 ]} Si bien se pueden almacenar gases en fase sólida, como en una botella, los materiales nanoporosos permiten una mayor densidad de almacenamiento, lo que resulta atractivo para aplicaciones energéticas. ^{[ 13 ]}

Un ejemplo de esta aplicación es el almacenamiento de hidrógeno . Con el inicio del cambio climático, existe un creciente interés en los vehículos de cero emisiones, especialmente en los vehículos eléctricos de pila de combustible. ^{[ 15 ]} Al almacenar hidrógeno a altas densidades utilizando materiales porosos, se puede aumentar la autonomía de los coches eléctricos. ^{[ 13 ]}

Otro caso de uso para los materiales nanoporosos es como sustrato para sensores de gas. Por ejemplo, la medición de la resistividad eléctrica de un metal poroso puede proporcionar la concentración exacta de una especie analito en forma gaseosa. ^{[ 2 ]} Dado que la resistividad del sustrato es proporcional al área superficial del medio poroso, el uso de materiales nanoporosos proporcionará una mayor sensibilidad en la detección de especies gaseosas traza que sus contrapartes a granel. Esto es especialmente útil ya que los materiales nanoporosos tienen un área superficial efectiva mayor normalizada al área superficial de la vista superior.

Los materiales nanoporosos también se utilizan en aplicaciones biológicas. Las reacciones catalizadas por enzimas en aplicaciones biológicas se utilizan ampliamente para el metabolismo y el procesamiento de macromoléculas. Los materiales nanoporosos ofrecen la oportunidad de incorporar enzimas al sustrato poroso, lo que prolonga la vida útil de las reacciones para implantes a largo plazo. ^{[ 2 ]} Otra aplicación se encuentra en la secuenciación de ADN. Al recubrir una membrana nanoporosa inorgánica sobre un material aislante, los nanoporos se pueden utilizar para el análisis de moléculas individuales. Al hacer pasar el ADN a través de estos nanoporos, se puede leer la corriente iónica a través del poro, que se puede correlacionar con uno de los cuatro nucleótidos . ^{[ 16 ]}