La ciencia de materiales nos ha provisto en las últimas décadas auténticos prodigios con propiedades nuevas, mejoradas e incluso combinadas para dar respuesta a retos que vamos planteando en investigación, que a su vez facilitan los procesos industriales o nuestro estilo de vida.

En esta área del conocimiento se habla últimamente de materiales avanzados, aquellos que presentan propiedades térmicas, químicas y/o mecánicas (entre otras) mejoradas, incluso diseñadas específicamente para una determinada aplicación. Entre estas propiedades, hay una que suele pasar desapercibida para el público general pero que se antoja crucial para infinidad de aplicaciones, especialmente para las relacionadas con la generación y el almacenamiento de energía: la porosidad.

Cuando hablamos de materiales porosos, en nuestro imaginario podrían aparecer una esponja o a una piedra pómez, ambas porosas, de origen natural y con aplicaciones directamente condicionadas por su naturaleza porosa. La esponja puede albergar grandes volúmenes de líquidos en sus cavidades y la rugosidad de la piedra pómez, generada por sus poros, la hacen un excelente abrasivo para nuestra piel. Sin embargo, el tamaño de los poros de estos materiales es de rango milimétrico, incluso centimétrico.

En esta ocasión, nos interesan aquellos poros que se encuentran en la escala nanométrica, es decir, unos 6 órdenes de magnitud menos que los anteriores ejemplos. Y es que, al igual que en otras áreas del conocimiento, descender hasta el nanómetro puede potenciar las propiedades que deseamos explotar.

Aspectos como el volumen y tamaño de los poros y el área superficial definen la textura de un sólido. Es en este espacio vacío dentro del material y en su superficie interna, donde pueden tener lugar una gran variedad de procesos físicos y químicos. Por eso es tan importante controlar estas propiedades, para sacar el máximo provecho de las mismas en nuestras aplicaciones.

Para entender esto hagamos una analogía simple. Si necesito alojar una sustancia en la superficie de un material (lo que conocemos como fenómeno de adsorción), podría utilizar un recipiente vacío, en el que esa superficie accesible para la sustancia a almacenar sería la propia pared interna del recipiente. Supongamos en este caso unas decenas de cm² en una botella de 1 L de volumen. Ahora bien, si lleno esa misma botella de un material poroso con un área superficial interna de unos 300 m² por cada grano de material, estaría incrementando sustancialmente la superficie accesible a esa sustancia que quiero almacenar en superficie: las decenas de cm² de la pared del recipiente más cientos de m² por cada gramo de material que introduzca en ese recipiente. La eficiencia en el almacenamiento en este último caso es evidente.

Esto sucede gracias a los nanoporos presentes en el sólido poroso, que hacen que aumente el área accesible donde se alojan las moléculas huésped que queremos almacenar o transportar, donde ocurren las reacciones químicas deseadas o donde se dan transferencias de carga, entre otros posibles fenómenos. 

Materiales porosos amorfos o cristalinos 

Históricamente, los materiales porosos más utilizados han sido los carbones activados o las zeolitas. La principal diferencia entre ellos dos es que los primeros son amorfos (sus átomos están dispuestos aleatoriamente en su estructura) y, por tanto, la porosidad no tiene una disposición ordenada; y las segundas son cristalinas (sus átomos y moléculas se orientan en su estructura en base a una determinada simetría), lo que les confiere una porosidad ordenada y una topología concreta.

Estos materiales destacan por ser baratos, con un rango de porosidad variable desde pocos m²/g hasta varios miles de m²/g. Sin embargo, en las últimas décadas han ido apareciendo materiales nanoporosos – que podríamos llamar “a la carta” – que nos permiten diseñar su estructura desde el átomo, su composición química, su topología y, por tanto, propiedades como la porosidad. Un buen ejemplo de ello son los metal-organic frameworks o MOF, que han levantado gran entusiasmo en la comunidad científica por, entre otras cosas, haber reportado valores récord de área superficial.

Algunos ejemplos de materiales porosos y sus respectivos valores de área superficial.

Para hacernos una idea de ello, podemos hacer una analogía con el MOF NU-110, de un valor de S_BET de 7140 m2/g, que posee el área superficial de un campo de futbol en un gramo de material.

Estas propiedades llevan años aplicándose en multitud de campos: para la adsorción de sustancias tóxicas en biomedicina, para usarlos como catalizadores de reacciones químicas en la industria farmacéutica, para la adsorción y separación de gases de interés industrial o, más concretamente, en el campo del almacenamiento de energía, como es los carbones activados en electrodos para supercondensadores que, debido a su bajo coste y la gran área superficial, permiten una alta capacitancia específica.

Materiales porosos para la conversión de energía

Recientemente estos materiales también están cobrando protagonismo en la conversión de energía. En el CIC energiGUNE se está investigando la conversión de energía mecánica y térmica en eléctrica mediante procesos de intrusión de agua en los poros de un material poroso hidrófobo. El proyecto Electro-intrusión que lidera el CIC energiGUNE, en colaboración con otras 4 instituciones académicas europeas y una empresa, pretende ahondar en el fenómeno de la nanotriboelectrificación. Éste es el responsable de que, al intruir el agua bajo presión (generada por una fuerza mecánica como por ejemplo vibraciones) en los poros de un material, mediante la fricción con la superficie hidrófoba del interior de sus poros, se genere una corriente eléctrica, al igual que la que se genera el frotar un globo contra nuestro pelo. Además, este proceso de intrusión de agua bajo presión es endotérmico, por lo que absorbe calor del entorno, introduciendo una energía extra al proceso que también pasa a convertirse en electricidad. De esta manera, podemos aprovechar la energía mecánica que se desperdicia en las vibraciones de cualquier dispositivo que las genere y, en concreto, en la suspensión de un vehículo eléctrico, para convertir esa energía en electricidad que pudiera servir para recargar el automóvil durante el propio trayecto.

Una vez más, el papel de los materiales porosos utilizados en el dispositivo final que apliquemos al vehículo (ya que el objetivo final del proyecto es un prototipo de amortiguador para un coche eléctrico) es de una importancia capital. No solo porque controlando la topología y tamaño de los poros facilitará la disipación de energía mecánica de las vibraciones del coche, sino porque controlando también su área y química superficiales podremos maximizar la superficie de transferencia de carga e incrementar la corriente eléctrica en el proceso.

Así, aspectos aparentemente estéticos o triviales como la textura de un material pueden tener un impacto más que relevante en la aplicación final, como se ha visto en uno de los últimos estudios realizados en el seno del proyecto Electro-intrusión: “Turning Molecular Springs into Nano-Shock Absorbers: The Effect of Macroscopic Morphology and Crystal Size on the Dynamic Hysteresis of Water Intrusion–Extrusion into-from Hydrophobic Nanopores ”, publicado en la revista  ACS Applied Materials & Interfaces este 2022 por P. Zajdel y colaboradores.

En este trabajo se analiza el impacto de la morfología de un MOF microporoso conocido de gran área superficial, el ZIF-8. Estudiando el ZIF-8 en tres morfologías distintas (en polvo, en cristales nanométricos y en forma monolítica) se comprueba que su comportamiento en el proceso de intrusión de agua es muy distinto en cada una de sus formas. Al estar organizadas sus partículas cristalinas de distinta manera, su porosidad intergranular también se ve afectada, lo que hace que disipe la energía mecánica de distinta forma en base a su morfología y abriendo la posibilidad de controlar este proceso.

Imagen de las tres formas estudiadas del MOF microporoso ZIF-8 (arriba de izquierda a derecha: ZIF-8 monolítico, polvo nanométrico y polvo micrométrico) y grafica de disipación de energía en función de su morfología. Imagen extraída de ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 23, 26699–26713.

Todo lo anterior es una muestra más de cómo la ciencia ilumina aspectos de la materia a escala nanométrica que pueden permanecer invisibles para nuestra intuición del mundo macroscópico. La creciente complejidad de los procesos tecnológicos del mañana hará que sucedan en el diminuto interior de los materiales. Pues, parafraseando al referente de la nanociencia, Richard Feynman: “There is plenty of room at the bottom”. Hay mucho espacio ahí abajo.