Enoc Cetina Mancilla, Lizeth Ávila Gutiérrez, Mikhail Zolotukhin*, Rosaura Velázquez Ramírez, Wilberth Herrera-Kao, Manuel Aguilar Vega y María Ortencia González Díaz* (CICY e IIM-UNAM)
En las últimas décadas, el desarrollo de materiales en la nanoescala, es decir, materiales tan pequeños que son imperceptibles al ojo humano (un nanómetro equivale a la millonésima parte de un milímetro), ha sido de gran interés y relevancia para la ciencia de los materiales por su potencial uso en diversas tecnologías; por ejemplo, las nanopartículas metálicas tienen propiedades ópticas, electrónicas, de reconocimiento, catalíticas, sensoriales y terapéuticas inusuales que las hacen atractivas en diversas tecnologías. Sin embargo, un requisito para sus futuras aplicaciones es lograr controlar su tamaño, forma y distribución en diferentes aparatos y dispositivos. Por este motivo, diversos grupos de investigación se han dado a la tarea de estudiar alternativas.
El Instituto de Investigaciones en Materiales (IIM) de la UNAM, ha conseguido generar nanopartículas de polímeros en un solo paso y de forma relativamente sencilla, esto a través de un método de síntesis llamado polihidroxialquilación no estequiométrica catalizada por superácidos o PNESA que, aunque su nombre es muy complejo, es una forma simple de lograr obtener nanopartículas de polímeros con diversas arquitecturas, alto peso molecular y excelentes propiedades térmicas [1]. El método de síntesis PNESA se realiza en un solo paso, a temperatura ambiente, libre de metales; no necesita atmósfera inerte y es tolerante a una gran variedad de grupos funcionales.
Con este procedimiento, investigadores e investigadoras del IIM han obtenido nuevos polímeros multifuncionales que podrían ser usados exitosamente como plataformas para la síntesis de nanopartículas de metales como el oro o la plata [2,3]. De hecho, realizaron estudios donde descubrieron que el oro en forma de película pasó al estado de nanopartículas; el experimento consistió en realizar depósitos de oro sobre nanofibras de un nuevo polímero multifuncional nombrado PTBC, poli([1,1’:4’,1’’-terfenil]-4,4’’-diil(2-bromo-1-carboxietilideno)). Con un microscopio electrónico de barrido (MEB) se observó que con el tiempo ocurría una transformación espontánea: el oro que recubría las nanofibras pasaba de un estado en forma de película a otro de nanopartículas (Figura 1).
Durante el proceso de transformación de película delgada a nanopartículas se pudieron apreciar cambios en el tamaño y las formas de las nanopartículas de oro. En la Figura 2 se observan con diferentes tamaños, desde 10 nanómetros (nm) hasta 50 nm, y diversas geometrías: triángulos, hexágonos o barras, dependiendo de la etapa del proceso.
Este fenómeno de transformación espontánea representa un proceso muy simple de elaboración de nanopartículas con el control de su tamaño y forma; se realiza en un único paso; puede ser fácilmente escalable; es amigable con el medio ambiente y constituye la primera evidencia científica de una transformación espontánea de una película a nanopartículas metálicas que puede ser útil en nuevos avances y tecnologías.
Y justo, otro grupo de investigación en el Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY) ha estudiado las propiedades fisicoquímicas de diversos polímeros obtenidos mediante PNESA, así como su aplicación como membranas en procesos de separación de gases [5], obteniendo membranas flexibles y transparentes (Figura 3) con excelentes propiedades mecánicas y térmicas.
Es importante mencionar que las membranas de separación de gases son sistemas de separación selectiva de gases y vapores basados en materiales poliméricos sintéticos. Las membranas han mostrado un excelente desempeño en la separación de gases de interés industrial; son altamente permeables y selectivas a hidrógeno (H2) y dióxido de carbono (CO2) pero no a metano (CH4), lo cual resulta interesante para la separación de gases de efecto invernadero como el CO2 del aire, el endulzamiento del gas natural o la purificación de hidrógeno.
En la Figura 4 se puede observar una comparación de las propiedades de separación de gases H2/CH4 y CO2/CH4 de las membranas elaboradas a partir de polímeros (CBZ, DFL, FLN) obtenidos por PNESA y su comparación con membranas comerciales. En esa figura se observa que estas membranas CBZ, DFL, FLN presentan un remarcable incremento del flujo de gases (H2 y CO2) a través de ellos y una mejorada selectividad (medida en la que se separan las moléculas de interés del resto).
Las preguntas que surgen son: ¿Por qué son importantes estos estudios? ¿Cuáles son sus beneficios para la sociedad?
Debido al crecimiento industrial y poblacional, se ha registrado un incremento en la demanda energética: durante el primer trimestre de 2020, el consumo de energía global se incrementó 3.8%; con ello, también las emisiones de CO2 aumentaron 2.5% en comparación con los primeros meses del 2019, según los datos de la Agencia Internacional de Energía [6].
Además, una de las principales fuentes de energía es el uso de gas natural que comprende el 45% de los combustibles; sin embargo, este energético presenta impurezas por lo que es necesario purificarlo a través de membranas en un proceso conocido como endulzamiento del gas, donde también se lleva a cabo la separación y captura de gases de efecto invernadero, que son los contaminantes atmosféricos que tienen mayor influencia en el cambio climático y el incremento en la temperatura global.
De esa manera, se demuestra la importancia de estos estudios y sus beneficios para la sociedad.
Agradecimientos
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por los proyectos 251693 y CB 286973, así como a la DGAPA-UNAM por los proyectos PAPIITIG100718 y IV100119.
Referencias:
[1] Guzmán-Gutiérrez, M. T. et al. “Dramatic Enhancement of Superacid-Catalyzed Polyhydroxyalkylation Reactions” Macromolecules 2011, 44, 194-202.
[2] Hernández-Cruz, O. et al. “Spontaneous, Solvent-Free, Polymer Templated, Solid−Solid Transformation of Thin Metal Films into Nanoparticles” Nano Lett. 2016, 16, 5420−5425.
[3] Avila-Gutierrez, L. et al. “Multifunctional polymer-assisted spontaneous transformation of thin gold films into nanoparticles” React. Funct. Polym. 2021, 164, 104928-104937.
[4] Zhou, X. et al. “Formation of ultrafine uniform gold nanoparticles by sputtering and redeposition” Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 133107.
[5] GonzálezDíaz et al. “Novel fluorinated aromatic polymers with ether-bond-free aryl backbones for pure and mixed gas separation”, J. Membr. Sc. 2020, 606, 118114.
[6] The impacts of the Covid-19 crisis on global energy demand and CO2 emissions, Global energy review 2020.
Palabras clave: polímeros, nanopartículas, membranas, separación de gases
Autores
El doctor Mikhail Zolotukhin (zolotukhin@unam.mx) es investigador de tiempo completo en el IIM UNAM. El doctor Enoc Cetina es investigador posdoctoral DGAPA-UNAM. La maestra Lizeth Ávila es investigadora en el Instituto Nacional de Geriatría. La Q. Rosaura Velázquez es estudiante del posgrado PCeIM UNAM. La doctora María Ortencia González Díaz (maria.gonzalez@cicy.mx) es investigadora catedrática CONACYT, el doctor Herrera Kao es Técnico titular C y el doctor Manuel Aguilar es Investigador Titular D, pertenecientes a la Unidad de Materiales del Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY).
Contacto: María Ortencia González: maria.gonzalez@cicy.mx y Mikhail Zolotukhin: zolotukhin@iim.unam.mx
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