Uma melhor compreensão das configurações de purificação ajudará os cientistas de materiais a desenvolver melhores sistemas de filtragem. Crédito:Panther Media GmbH / Alamy
Capturar moléculas em superfícies porosas projetadas de maneira personalizada torna-se mais fácil com um novo modelo que unifica as teorias anteriores de adsorção.
Muitas ferramentas de purificação, de filtros de carvão simples a usinas de dessalinização complexas, dependem de sólidos com milhões de minúsculos poros para capturar e remover contaminantes sem se ligar quimicamente a eles. Agora, uma equipe da KAUST identificou os principais fatores que conectam a adsorção em diferentes tipos de superfícies porosas, resolver problemas centenários de prever a absorção de substâncias desconhecidas.
No início dos anos 1900, o conceito de isotermas de adsorção surgiu para descrever como os adsorventes se comportam na presença de quantidades cada vez maiores de moléculas. Esses gráficos têm formas distintas que dependem de propriedades de superfície em escala de átomo, por exemplo, se as partículas se aglutinam em camadas simples ou multicamadas - e rapidamente se tornam essenciais para projetar e compreender configurações de purificação. A maioria dos absorventes, químicos encontrados, poderia ser classificado em uma das seis isotermas após algumas medições experimentais.
Contudo, absorventes modernos com estruturas de poros heterogêneas, como estruturas metal-orgânicas (MOFs), estão se mostrando mais difíceis de modelar. Embora esses materiais se beneficiem de testes de alto rendimento de várias amostras, a necessidade de medições isotérmicas individuais retarda a descoberta consideravelmente - uma situação vivida pelo professor Kim Choon Ng no Centro de Dessalinização e Reutilização de Água da KAUST.
Imagens SEM da superfície porosa em aumento da força de microscopia (do canto superior esquerdo). Crédito:KAUST
“Estávamos trabalhando para melhorar o tratamento da água do mar, e usar isotérmicas era muito tedioso, "diz Ng." Todos tiveram que fazer seu próprio trabalho de tentativa e erro para aplicativos específicos, e não havia nenhuma teoria real para ajudar as pessoas a projetar absorventes. "
Com os pesquisadores Muhammad Burhan e Muhammad Shahzad, Ng teve como objetivo descobrir como as diferentes isotermas poderiam ser combinadas em um único modelo universal. Eles propuseram subdividir superfícies com variações de poros em escala nanométrica em pequenos fragmentos que adsorvem moléculas hóspedes sob condições termodinâmicas e cinéticas semelhantes. Ao introduzir um fator de probabilidade para definir a distribuição de energia de cada patch, a equipe criou uma função matemática capaz de detectar características significativas de superfícies adsorventes.
As diferenças nos tamanhos dos poros em superfícies absorventes podem ser melhor compreendidas com um modelo que localiza pequenas regiões onde os gases se fixam em energias semelhantes. Reproduzido com permissão sob a licença creative commons da referência. Crédito:KAUST
Comparações entre as previsões geradas pelo modelo universal e isotermas da literatura revelaram o poder da nova abordagem. Não apenas os dados teóricos correspondem aos experimentos medidos para todas as seis categorias de isotérmicas, mas vários picos apareceram nos gráficos de distribuição de energia quando condições heterogêneas são detectadas - parâmetros que podem ser críticos para o desenvolvimento de materiais inovadores com recursos de sorção ajustados.
"Cada par adsorvente-adsorvato tem sua própria função distinta de distribuição de energia, o que nos permite capturar todas as informações nas isotérmicas, "explica Ng." Os cientistas de materiais devem ser capazes de usar técnicas como a acidificação para expandir o tamanho dos poros em estruturas metal-orgânicas e mudar sua distribuição de energia para aumentar a absorção. "
