ligante-borboleta

Ligante em forma de borboleta desenvolvido por japoneses pode armazenar e separar gases.

Filtrar e armazenar algo tão fugidio quanto um gás não é mole. Para facilitar esse trabalho, cientistas do Japão criaram uma substância cujos poros podem ser regulados pela temperatura.

Você precisa levar água de um lugar pra outro ou livrá-la de algumas impurezas? Para resolver esse problema, basta usar instrumentos que se encontram em qualquer cozinha, como uma peneira ou uma esponja. Ao saturar a esponja, a água se infiltra em seus poros e fica ali até que esse utensílio flexível seja comprimido pelos seus dedos. Isso permite levar pequenas quantidades do líquido por distâncias consideráveis. Para limpar a água, basta passá-la por uma peneira. Mas tanto a esponja quanto as peneiras têm a mesma limitação: seus poros são fixos, constantes, imutáveis. Assim, se você quiser tirar a sujeira mais fina da água, vai ter que trocar de peneira — e se você só tiver uma, não dá pra fazer isso.

Se essa limitação porosa já é problemática na cozinha, imagine quando o problema é filtrar e transportar gases… Gases são mais difíceis de conter do que a água e se misturam entre si de modo muito mais difícil de separar. Para fazer isso, os cientistas usam instrumentos semelhantes às nossas esponjas e peneiras, só que com poros em escala nanométrica. Por mais refinados que sejam, esses nanoporos continuam sendo rígidos. Não seria ótimo ter esponjas e peneiras com furinhos reguláveis?

No Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS), da Universidade de Kyoto, os cientitas perceberam essa limitação e buscaram um modo de contorná-la, criando um material cujos poros podem ter o tamanho modificado. Liderada por Susumu Kitagawa e Nobuhiko Hosono, a equipe japonesa projetou um polímero poroso formado pela ligação de átomos de cobre a um ligante. Os ligantes são íons ou moléculas que cercam um átomo de metal mais ou menos como uma garra, e podem ser abertos ou fechados. Nesse caso, o ligante foi feito por uma mistura de ácido isoptálico e fenotiazina-5,5-dióxido.

O resultado dessa mistura foi um ligante em forma de borboleta. Em temperatudas muito baixas, as estruturas do ligante se juntam, fechando-se como uma asa de borboleta. Conforme se aquece o ambiente que contém o ligante, as asinhas se abrem. Na prática, isso é como ter uma esponja cujos poros podem ser abertos ou fechados de acordo com a variação da temperatura.

Para confirmar a eficácia desse sistema, Kitagawa et. al. fizeram uma série de experimentos, relatados em artigo publicado na revista Science em janeiro. Eles descobriram que era possível prender as moléculas de gases dentro dos canais formados por essas nano-asas. Assim é possível, por exemplo, capturar moléculas de gás numa temperatura elevada, resfriar a amostra e prender o gás. O mecanismo é parecido com o de uma pinça, mas funciona quase como uma esponja cheia de água (em vez de apertar ou soltar, o que se varia é a temperatura). Na prática, isso poderia permitir o transporte e armazenamento seguro de gases como o hidrogênio usado para abastecer células de combustível que são capazes de mover automóveis gerando apenas vapor d’água como resíduo.

Como é possível variar a temperatura à qual esse ligante está submetido, também dá para usá-lo para fazer a separação térmica dos gases. Quem lembra das aulas de Química sabe como é: diferentes gases têm diferentes pontos de condensação e isso pode ser usado para extrair cada gás de uma mistura. Num dos experimentos, os cientistas do Japão aplicaram nesse material uma mistura de oxigênio e argônio em proporções iguais durante uma hora a uma pressão de 1 bar e temperatura de 93 graus negativos. O sistema reteve o oxigênio, separando-o, mesmo quando a concentração de argônio na mistura foi bem maior.

Além da aplicação junto a células de combustível automotivas, a nano-borboleta-esponja recém-descoberta pode ser útil em setores como a medicina, a indústria química e o meio-ambiente. Nessas áreas, o novo material seria uma alternativa mais simples e prática às ferramentas que já são usadas para dosar, separar e capturar gases que são poluentes ambientais ou impurezas na fabricação de medicamentos e produtos químicos. Futuramente, pode ser que seja desenvolvida uma versão semelhante para uso doméstico, o que nos faria dar adeus à necessidade de ter vários tipos de peneira na cozinha.

Referência

rb2_large_gray25CHENG GU et. al. Design and control of gas diffusion process in a nanoporous soft crystal [Design e controle do processo de difusão de gás num cristal macio nanoporoso]. Science  25 Jan 2019: Vol. 363, Issue 6425, pp. 387-391 DOI: 10.1126/science.aar6833

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