Materialen zientziak, azken hamarkadetan, ezaugarri berriak, hobetuak eta are konbinatuak dituzten mirariak eman dizkigu, ikerketan planteatzen ari garen erronkei erantzuteko, prozesu industrialak edo gure bizimodua errazten dutenak.

Jakintzaren arlo honetan material aurreratuez hitz egiten da azkenaldian, propietate termiko, kimiko eta/edo mekanikoak (besteak beste) hobetuak dituztenez, baita aplikazio jakin baterako berariaz diseinatuak dituztenez ere. Propietate horien artean, bada bat publiko orokorrarentzat oharkabean pasatzen dena, baina hainbat eta hainbat aplikaziotarako erabakigarria dena, batez ere energia sortzearekin eta biltegiratzearekin lotutakoetarako: porositaterako.

Material porotsuez hitz egiten ari garenean, gure iruditerian belaki bat edo masail-harri bat ager daiteke, biak porotsuak, jatorri naturalekoak eta izaera porotsuak zuzenean baldintzatutako aplikazioekin. Belakiak likido bolumen handiak izan ditzake barrunbeetan, eta masail-harriaren zimurtasunak, poroek sortuak, urratzaile bikaina egiten du gure larruazalarentzat. Hala ere, material horien poroen tamaina maila milimetrikoa da, baita zentimetrikoa ere.

Oraingo honetan, eskala nanometrikoan dauden poroak interesatzen zaizkigu, hau da, aurreko adibideak baino 6 magnitude-ordena gutxiago. Izan ere, beste ezagutza-arlo batzuetan bezala, nanometroraino jaisteak ustiatu nahi ditugun propietateak indartu ditzake.

Poroen bolumenak eta tamainak eta gainazalak solido baten ehundura definitzen dute. Espazio huts horretan, materialaren barruan eta barruan, prozesu fisiko eta kimiko ugari gerta daitezke. Horregatik da hain garrantzitsua propietate horiek kontrolatzea, gure aplikazioetan ahalik eta probetxurik handiena ateratzeko.

Hau ulertzeko analogia sinple bat egin dezagun. Substantzia bat material baten gainazalean kokatu behar badut (adsortzio-fenomeno gisa ezagutzen duguna), ontzi huts bat erabil dezaket, non biltegiratu beharreko substantziarentzat eskuragarri dagoen gainazal hori ontziaren barne-horma bera izango litzatekeen. Demagun kasu honetan hamarnaka cm² daudela 1 l-ko bolumeneko botila batean. Baina, botila hori material porotsu batez betetzen bada, eta material ale bakoitzeko 300 m² inguruko azalera badu, gainazalean biltegiratu nahi dudan substantzia horretarako azalera eskuragarria nabarmen handituko litzateke: ontziko hormaren hamarnaka cm² gehi ontzi horretan sartzen den material-gramo bakoitzeko ehunka m². Azken kasu horretan biltegiratzearen eraginkortasuna agerikoa da.

Hori gertatzen da solido porotsuan dauden nanoporoei esker, biltegiratu edo garraiatu nahi ditugun molekula ostalariak dauden eremu irisgarria handitzea eragiten baitute, nahi ditugun erreakzio kimikoak gertatzen diren lekua edo karga transferitzen den lekua, besteak beste.

Material porotsu amorfoak edo kristalinoak

Historikoki, gehien erabili diren material porotsuak ikatz aktibatuak edo zeolitak izan dira. Bien arteko desberdintasun nagusia da lehenak amorfoak direla (beren atomoak ausaz antolatuta daude beren egituran) eta, beraz, porositateak ez duela antolamendu ordenaturik; eta bigarrenak kristalinoak dira (beren atomo eta molekulak simetria jakin baten arabera bideratzen dira egituran), eta horrek porositate ordenatua eta topologia zehatza ematen die.

Material horiek merkeak dira, eta porositate aldakorra dute, m²/g  gutxitik hasi eta milaka m²/g  arte. Hala ere, azken hamarkadetan material nanoporosoak agertu dira – Nahierara ere dei genezakeenak –, eta, horiei esker, atomoaren egitura, konposizio kimikoa, topologia eta, beraz, porositatea bezalako propietateak diseina ditzakegu. Horren adibide dira, besteak beste, metal-organic frameworks edo MOF delakoak, zeinak interes handia piztu duten komunitate zientifikoan, gainazaleko balio errekorrak eman dituztelako.

Material porotsuen adibide batzuk eta haien gainazaleko balioak.

Horren ideia bat izateko, analogia bat egin dezakegu MOF NU-110 delakoarekin, 7140 m²/g-ko S_BET balioa duena, zeinak material gramo batean futbol zelai baten azalera baitu.

Propietate horiek hainbat eremutan aplikatzen dira: biomedikuntzan substantzia toxikoak adsortzerako, farmazia-industrian erreakzio kimikoen katalizatzaile gisa erabiltzeko, interes industrialeko gasak adsortzio eta bereizteko, edo, zehazkiago, energia biltegiratzeko eremuan, hala nola superkondentsadoreentzako elektrodoetan aktibatutako ikatzak, kostu txikia dutenez eta berariazko azalera handia dutenez, gaitasun handia ematen dietenak.

Energia bihurtzeko material porotsuak

Duela gutxi, material horiek ere garrantzia hartzen ari dira energiaren bihurketan. CIC energiGUNEn energia mekanikoa eta termikoa energia elektriko bihurtzea ikertzen ari dira, material poroso hidrofobo baten poroetan ura sartzeko prozesuen bidez. CIC energiGUNE gidatzen duen Electro-intrusio proiektuak, Europako beste 4 erakunde akademikorekin eta enpresa batekin lankidetzan, nanotriboelektrifikazioaren fenomenoan sakondu nahi du. Izan ere, ura presiopean sartzean (indar mekaniko batek (bibrazioak, adibidez)) material baten poroetan sartzean, poroen barneko azalera hidrofoboarekin igurtziz, korronte elektriko bat sortzen da, gure ilearen kontra puxika bat igurtzita sortzen den bezala. Gainera, ura presiopean sartzeko prozesu hori endotermikoa da, eta, beraz, inguruneko beroa xurgatzen du, elektrizitate ere bihurtzen den prozesuan energia gehigarri bat sartuz. Horrela, energia mekanikoa erabil dezakegu, sortzen dituen edozein gailuren bibrazioetan alferrik galtzen dena, eta, zehazki, ibilgailu elektriko baten esekiduran, energia hori ibilbidean zehar autoa kargatzeko balio dezakeen elektrizitate bihurtzeko.

Beste behin ere, ibilgailuari aplikatzen diogun azken gailuan erabilitako material porotsuen papera (proiektuaren azken helburua motelgailu-prototipo bat baita auto elektriko batentzat) oso garrantzitsua da. Ez bakarrik poroen topologia eta tamaina kontrolatuz autoaren bibrazioen energia mekanikoaren disipazioa erraztuko duelako, baizik eta gainazaleko eremu eta kimika ere kontrolatuz karga-transferentziaren azalera maximizatu ahal izango dugulako eta prozesuan korronte elektrikoa areagotu ahal izango dugulako.

Hala, itxura batean estetikoak edo hutsalak diren zenbait alderdik, hala nola material baten ehundurak, eragin nabarmena izan dezakete azken aplikazioan, Elektro-intrusioa proiektuaren baitan egindako azken azterlanetako batean ikusi den bezala: "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", ACS Applied Materials & Interfaces aldizkarian argitaratua 2022 honetan P. Zajdel eta kolaboratzaileak.

Lan honetan gainazaleko eremu handiko MOF mikroporoso ezagun baten (ZIF-8) morfologiaren inpaktua aztertzen da. ZIF-8 hiru morfologia desberdinetan aztertzen da (hautsa, kristal nanometrikoak eta forma monolitikoa), eta ura sartzeko prozesuan duen portaera oso desberdina dela egiaztatzen da. Partikula kristalinoak hainbat modutan antolatuta daudenez, haien porositate intergranularrak ere eragina izaten du, eta, ondorioz, energia mekanikoa modu desberdinean desegiten du morfologiaren arabera, eta prozesu hori kontrolatzeko aukera irekitzen du.

ZIF-8 MOF mikroporosoaren hiru forma aztertuen irudia (goian ezkerretik eskuinera: ZIF-8 monolitikoa, hauts nanometrikoa eta hauts mikrometrikoa) eta energia barreiatzeko grafikoa, morfologiaren arabera. ACS Appl-etik ateratako irudia. Mater. 2022, 14, 23, 26699 – 26713 interfazeak.

Aurreko guztia zientziak materiaren zenbait alderdi eskala nanometrikoan nola argitzen dituen erakusten duen beste adibide bat da, gure mundu makroskopikoaren begiespenerako ikusezin iraun dezaketenak. Biharko prozesu teknologikoak gero eta konplexuagoak direnez, materialen barrualde txikian gertatuko dira. Bada, Richard Feynman nanozientziaren erreferentea parafraseatuz, hots, «There is plenty of room at the bottom». Leku asko dago hor behean.