Engenheiros desenvolveram novos materiais de estrutura porosa sem metal. Pesquisadores da Universidade de Liverpool e da Universidade de Southampton, utilizaram métodos de design computacional para desenvolver materiais de estrutura porosa orgânica sem metal, com aplicações potenciais em áreas como catálise, captura de água ou armazenamento de hidrogênio. Em um estudo publicado na revista Nature, a equipe de pesquisa utilizou elementos não metálicos baratos e abundantes, como íons de cloreto, para projetar estruturas porosas orgânicas sem metal (N-MOFs). Os novos materiais oferecem uma alternativa aos metal-organic frameworks (MOFs), uma classe de materiais porosos e cristalinos compostos por metais conectados por compostos orgânicos ligantes.
Mais de 95.000 MOFs foram descobertos até agora, com uma ampla gama de aplicações em campos como catálise, separação de gases e armazenamento de energia. Os novos materiais de estrutura porosa sem metal ainda precisam ser totalmente explorados, mas já mostraram promessas iniciais para a captura de iodo, que é importante na indústria nuclear. Outras áreas de aplicação poderiam incluir condução de prótons, catálise, captura de água e armazenamento de hidrogênio. A equipe de pesquisa acredita que, no futuro, será possível estender os materiais de estrutura onde os ligantes orgânicos são conectados por íons compostos por outros elementos não metálicos comuns, como nitrogênio, oxigênio e enxofre.
A pesquisa contou com a expertise complementar na descoberta de novos materiais e na robótica da Universidade de Liverpool, juntamente com a expertise em modelagem computacional da Universidade de Southampton. O Professor Andrew Cooper, do Departamento de Química e do Materials Innovation Factory da Universidade de Liverpool, disse: “Este trabalho abre uma série de possibilidades. Nossa abordagem utiliza ânions não metálicos como nós para construir estruturas em vez de cátions metálicos em MOFs. Existem mais ânions disponíveis do que metais na tabela periódica, então o espaço para pesquisar novos materiais é enorme.”
No entanto, existe um problema de longa data: os nós metálicos em MOFs direcionam a estrutura do framework, assim como as juntas em um andaime. Essas juntas têm uma geometria previsível que permite que os MOFs sejam projetados para aplicações específicas. Esta abordagem de ‘Lego molecular’ não funciona para sais não metálicos porque as interações são muito menos direcionais. O Professor Graeme Day, da Escola de Química da Universidade de Southampton, disse: “Guiamos a descoberta desses materiais usando um método computacional chamado previsão de estrutura cristalina. Isso nos permite prever quais sais não metálicos formarão frameworks porosos estáveis, quais sais não o farão e antecipar a estrutura cristalina precisa antes do trabalho experimental.
Não precisamos assumir uma geometria específica para as juntas no framework, o que é um princípio fundamental na química de MOF.” A pesquisa faz parte de um programa mais amplo de pesquisa que visa redefinir a maneira como descobrimos novos materiais combinando técnicas emergentes em previsão computacional, inteligência artificial e robótica. O projeto foi financiado pelo Conselho Europeu de Pesquisa, pela Leverhulme Trust e pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas. O artigo “Estruturas porosas isorreticulares orgânicas não metálicas” foi publicado na revista Nature. O Professor Andrew Cooper FRS é Diretor Acadêmico do Materials Innovation Factory da Universidade de Liverpool, uma instalação de £ 81 milhões dedicada à pesquisa e desenvolvimento de materiais avançados, estabelecida em parceria com a Unilever.
Ele também é Diretor do Leverhulme Research Centre for Functional Materials Design e Co-Diretor do AIChemy, um centro nacional de pesquisa para o uso de inteligência artificial em química. Ele é atualmente um Professor Pesquisador da Royal Society. O Professor Graeme Day é Professor de Modelagem Química na Escola de Química da Universidade de Southampton, liderando um grupo de pesquisa que desenvolve métodos computacionais preditivos para o estado sólido orgânico.