Un cambio en la superficie molecular ajusta cómo fluyen líquidos porosos

Un líquido poroso suena contradictorio: fluye como un líquido, pero contiene cavidades diminutas capaces de alojar moléculas. Esa combinación lo vuelve atractivo para procesos como capturar dióxido de carbono, separar gases o transportar sustancias dentro de sistemas químicos. El problema es que, para usarlo en la práctica, no alcanza con que tenga poros. También importa cuánto resiste el material al movimiento.

Un equipo de la Universidad de Kyoto presentó una forma de controlar esa resistencia sin sacrificar las cavidades internas. En líquidos porosos de tipo I, formados por moléculas porosas que son ellas mismas parte del fluido, los investigadores cambiaron grupos químicos ubicados en la superficie de poliedros metal-orgánicos. Con esa modificación lograron variar la viscosidad en un factor cercano a 170 millones mientras mantenían accesible la porosidad del material.

La viscosidad es, en términos simples, la resistencia de un fluido a fluir. El agua se desplaza con facilidad; la miel lo hace mucho más lentamente. En materiales pensados para capturar o separar gases, esa propiedad puede decidir si un líquido puede bombearse por un equipo, formar una membrana estable o intercambiar moléculas con rapidez. Hasta ahora era difícil ajustar por separado la fluidez y el volumen de poros, porque los cambios que hacían al líquido más manejable también podían diluir o bloquear la parte porosa.

El grupo trabajó con poliedros metal-orgánicos basados en rodio, una clase de moléculas con forma de jaula. A cada núcleo le unieron doce cadenas flexibles de polietilenglicol, de modo que las estructuras resultantes se ensamblaran como líquidos porosos sin solvente. La clave fue mantener constante la longitud de las cadenas y la cavidad del núcleo, pero modificar la química de la superficie. Así podían observar si el cambio de flujo venía de la superficie y no de haber alterado todo el diseño molecular.

Los experimentos combinaron dispersión de rayos X de sincrotrón y simulaciones de dinámica molecular. Según el estudio, algunos grupos superficiales inducían a las cadenas de polímero a plegarse cerca de la molécula porosa. Esa capa compacta permitía que las estructuras se deslizaran unas sobre otras con más facilidad, generando líquidos menos viscosos. Otros grupos favorecían que las cadenas se extendieran hacia moléculas vecinas y formaran una red transitoria que resistía mucho más el flujo.

A 60 grados Celsius, la viscosidad medida fue desde 18 pascal-segundo hasta 3.000 millones de pascal-segundo. Los materiales más viscosos podían comportarse como sólidos durante tiempos cortos, pero terminaban fluyendo en escalas más largas. Esa conducta viscoelástica es relevante porque muchos materiales reales no encajan del todo en la división cotidiana entre sólido y líquido.

El trabajo también mostró un rasgo útil para la captura de gases. En una de las series de líquidos porosos, la capa de polímero actuó como una compuerta sensible a la temperatura: a baja temperatura dificultaba el acceso a las cavidades, y al calentarse dejaba pasar más dióxido de carbono. En las mediciones de adsorción, todos los líquidos conservaron cavidades accesibles a 30 grados Celsius, una condición importante si se quiere separar el control de la fluidez del control de la porosidad.

El resultado no significa que estos líquidos ya estén listos para usarse en una planta industrial. Falta evaluar cómo separan mezclas reales de gases, qué tan durables son bajo ciclos repetidos, cuánto costaría producirlos y cómo se comportan a baja temperatura o en membranas. Pero el principio de diseño es importante: si una capa superficial puede regular al mismo tiempo el flujo y el acceso molecular, los líquidos porosos podrían volverse materiales más ajustables para tareas químicas específicas.