Óculos ZIF, uma nova família de vidros, poderia combinar a transparência do vidro de silicato com a qualidade não frágil do vidro metálico, de acordo com pesquisadores da Penn State e da Cambridge University no Reino Unido.

“Temos certeza da transparência, "disse João Mauro, professor de ciência de materiais e engenharia na Penn State. "Teremos que esperar até que amostras maiores possam ser feitas para saber se ele tem a incrível ductilidade do vidro metálico, mas parece promissor. "

A mais nova classe de materiais formadores de vidro, estruturas de imidazolato zeolítico (ZIF), tem uma estrutura na qual os íons metálicos são ligados por ligantes orgânicos. Quando aquecido dentro de uma faixa limitada de altas temperaturas, alguns materiais ZIF derreterão e se transformarão em uma estrutura vítrea na qual os átomos têm uma estrutura desordenada. Além do potencial de um vidro transparente e muito mais flexível, alguns ZIFs contêm um grande número de poros funcionais que podem ser usados ​​para armazenamento de gás - estruturas metal-orgânicas foram propostas como gaiolas para armazenamento de hidrogênio para veículos de células de combustível, catálise, separação de gases ou mesmo administração de drogas.

"Os ZIFs são tão novos que as pessoas estão apenas descobrindo quais produtos químicos formam os vidros, "Disse Mauro." O objetivo do nosso grupo é acelerar o design desses novos vidros por meio da modelagem. "

Em dois artigos recentes de jornal, Mauro e colegas usaram diferentes métodos de modelagem para aprofundar a compreensão e prever as propriedades dos vidros ZIF. O primeiro método de modelagem, ReaxFF, foi desenvolvido por Adri van Duin, professor de engenharia mecânica na Penn State, que é co-autor de ambos os artigos. ReaxFF é um método computacionalmente rápido e econômico para simular a fusão e reforma de materiais candidatos.

"É difícil simular esses sistemas porque os modelos geralmente são desenvolvidos para sistemas orgânicos ou inorgânicos, mas não ambos, "disse Yongjian Yang, Bolsista de pós-doutorado de Mauro e autor principal de ambos os artigos. "Mais, ao contrário do ReaxFF, outros modelos não permitem a quebra da ligação e a reforma que ocorrem na formação do vidro. "

Yang acrescentou que o uso do ReaxFF reduz o tempo necessário para realizar simulações para algumas horas, em vez dos vários dias que seriam necessários com os métodos da mecânica quântica.

No artigo mais recente, publicado no Journal of Physical Chemistry Letters , os pesquisadores usaram outro método de modelagem desenvolvido originalmente para outra classe de vidros chamados vidros de calcogeneto.

"James Phillips propôs que podemos pensar em vidros da mesma forma que um engenheiro civil pensaria em projetar uma estrutura de treliça, como em uma ponte ou na Torre Eiffel, "Disse Mauro.

Phillips, que estava no Bell Labs na época e agora está na Rutgers University, propôs um método para otimizar o vidro baseado nos graus de liberdade dos átomos em relação ao número de ligações rígidas a outros átomos. Quando os vínculos igualam os graus de liberdade - a capacidade de se mover para cima, para baixo ou para os lados - o sistema geralmente está no estado ideal para formar um vidro estável.

Mauro, que estava na Corning Incorporated, e Prabhat Gupta, do estado de Ohio, estendeu a teoria para desenvolver o que é chamado de Teoria das Restrições Dependentes da Temperatura, que é responsável pela quebra de vínculo em alta temperatura, e também estendeu a teoria para fazer previsões quantitativas das propriedades do vidro.

"Porque nossa teoria é baseada na contagem de ligações e átomos, é algo que pode ser resolvido com lápis e papel, "Disse Mauro." Podemos fazer previsões precisas de propriedades como a dureza do vidro, módulo de elasticidade, a viscosidade e a temperatura de transição vítrea. "

Apesar de sua teoria, formulado em 2008, foi aplicado com sucesso a muitos sistemas de óxido de vidro e usado na formulação de composições de vidro industrial, este artigo é a primeira vez que foi aplicado ao sistema ZIF metal-vidro orgânico.

Thomas Bennett, da Universidade de Cambridge, está liderando a parte experimental do trabalho, incluindo a síntese de amostras ZIF, que atualmente têm apenas milímetros de tamanho.

"Há muitos desafios que ainda precisam ser enfrentados, "Mauro disse." Esperamos usar essas abordagens de modelagem para prever vidros que podemos usar para subir à escala industrial e, em seguida, comercializar. Não seria ótimo ter um vidro que fosse opticamente transparente e mecanicamente dúctil? "