Créditos:Imagem: David Kastner
Essas estruturas metal-orgânicas altamente estáveis podem ser úteis para aplicações como a captura de gases de efeito estufa.
Os materiais conhecidos como estruturas metálicas orgânicas (MOFs) têm uma estrutura rígida semelhante a uma gaiola que se presta a uma variedade de aplicações, desde o armazenamento de gás até a administração de medicamentos. Ao alterar os blocos de construção que compõem os materiais ou a maneira como eles são organizados, os pesquisadores podem projetar MOFs adequados para diferentes usos.
No entanto, nem todas as estruturas MOF possíveis são estáveis o suficiente para serem implantadas em aplicações como catalisar reações ou armazenar gases. Para ajudar os pesquisadores a descobrir quais estruturas do MOF podem funcionar melhor para uma determinada aplicação, os pesquisadores do MIT desenvolveram uma abordagem computacional que permite prever quais estruturas serão as mais estáveis.
Usando seu modelo computacional, os pesquisadores identificaram cerca de 10.000 possíveis estruturas MOF que classificam como “ultraestáveis”, tornando-as boas candidatas para aplicações como a conversão de gás metano em metanol.
“Quando as pessoas criam materiais MOF hipotéticos, não necessariamente sabem de antemão o quão estável é esse material”, diz Heather Kulik, professora associada de química e engenharia química do MIT e autora sênior do estudo. “Usamos dados e nossos modelos de machine learning para criar blocos de construção que deveriam ter alta estabilidade e, quando os recombinamos de maneiras consideravelmente mais diversas, nosso conjunto de dados foi enriquecido com materiais com maior estabilidade do que qualquer conjunto anterior. de materiais hipotéticos que as pessoas inventaram.”
Aditya Nandy, estudante de pós-graduação do MIT, é a principal autora do artigo, publicado hoje na revista Matter. Outros autores são o pós-doutorado do MIT Shuwen Yue, os estudantes de pós-graduação Changhwan Oh e Gianmarco Terrones, Chenru Duan PhD ’22 e Yongchul G. Chung, professor associado de engenharia química e biomolecular na Pusan National University.
Modelagem de MOFs
Os cientistas estão interessados nos MOFs porque eles têm uma estrutura porosa que os torna adequados para aplicações envolvendo gases, como armazenamento de gás, separação de gases semelhantes entre si ou conversão de um gás em outro. Recentemente, os cientistas também começaram a explorar o uso deles para administrar drogas ou agentes de imagem dentro do corpo.
Os dois componentes principais dos MOFs são unidades de construção secundárias – moléculas orgânicas que incorporam átomos de metal, como zinco ou cobre – e moléculas orgânicas chamadas ligantes, que conectam as unidades de construção secundárias. Essas peças podem ser combinadas de várias maneiras diferentes, assim como os blocos de construção LEGO, diz Kulik.
“Como existem tantos tipos diferentes de blocos LEGO e maneiras de montá-los, isso dá origem a uma explosão combinatória de diferentes materiais metálicos orgânicos possíveis”, diz ela. “Você pode realmente controlar a estrutura geral da estrutura metálica orgânica selecionando e escolhendo como montar diferentes componentes.”
Atualmente, a maneira mais comum de projetar MOFs é por tentativa e erro. Mais recentemente, os pesquisadores começaram a tentar abordagens computacionais para projetar esses materiais. A maioria desses estudos se baseia em previsões de quão bem o material funcionará para uma aplicação específica, mas nem sempre leva em consideração a estabilidade do material resultante.
“Um material MOF realmente bom para catálise ou para armazenamento de gás teria uma estrutura muito aberta, mas uma vez que você tenha essa estrutura aberta, pode ser muito difícil garantir que esse material também seja estável sob uso a longo prazo”, diz Kulik.
Em um estudo de 2021, Kulik relatou um novo modelo que ela criou ao minerar alguns milhares de papéis em MOFs para encontrar dados sobre a temperatura na qual um determinado MOF se decompõe e se MOFs específicos podem suportar as condições necessárias para remover solventes usados para sintetizar eles. Ela treinou o modelo de computador para prever esses dois recursos – conhecidos como estabilidade térmica e estabilidade de ativação – com base na estrutura das moléculas.
No novo estudo, Kulik e seus alunos usaram esse modelo para identificar cerca de 500 MOFs com estabilidade muito alta. Em seguida, eles dividiram esses MOFs em seus blocos de construção mais comuns – 120 unidades de construção secundárias e 16 linkers.
Ao recombinar esses blocos de construção usando cerca de 750 tipos diferentes de arquiteturas, incluindo muitas que geralmente não são incluídas nesses modelos, os pesquisadores geraram cerca de 50.000 novas estruturas MOF.
“Uma das coisas únicas em nosso conjunto foi que olhamos para simetrias de cristal muito mais diversas do que nunca antes, mas [fizemos isso] usando esses blocos de construção que vieram apenas de MOFs altamente estáveis sintetizados experimentalmente. “, diz Kulik.
Ultraestabilidade
Os pesquisadores então usaram seus modelos computacionais para prever o quão estável seria cada uma dessas 50.000 estruturas e identificaram cerca de 10.000 que consideraram ultraestáveis, tanto para estabilidade térmica quanto para estabilidade de ativação.
Eles também examinaram as estruturas quanto à sua “capacidade de entrega” – uma medida da capacidade de um material de armazenar e liberar gases. Para essa análise, os pesquisadores usaram o gás metano, porque a captura do metano pode ser útil para removê-lo da atmosfera ou convertê-lo em metanol. Eles descobriram que os 10.000 materiais ultraestáveis que identificaram tinham boas capacidades de entrega de metano e também eram mecanicamente estáveis, conforme medido por seu módulo de elasticidade previsto.
“Projetar um MOF requer a consideração de muitos tipos de estabilidade, mas nossos modelos permitem uma previsão de custo quase zero de estabilidade térmica e de ativação”, diz Nandy. “Ao entender também a estabilidade mecânica desses materiais, oferecemos uma nova maneira de identificar materiais promissores.”
Os pesquisadores também identificaram certos blocos de construção que tendem a produzir materiais mais estáveis. Uma das unidades secundárias de construção com melhor estabilidade foi uma molécula que contém gadolínio, um metal de terras raras. Outra era uma porfirina contendo cobalto – uma grande molécula orgânica feita de quatro anéis interconectados.
Os alunos do laboratório de Kulik estão agora trabalhando na síntese de algumas dessas estruturas MOF e testando-as no laboratório quanto à sua estabilidade e potencial capacidade catalítica e capacidade de separação de gás. Os pesquisadores também disponibilizaram seu banco de dados de materiais ultraestáveis para pesquisadores interessados em testá-los para suas próprias aplicações científicas.
“O banco de dados de estruturas MOF desenvolvido neste trabalho será muito útil para pesquisadores que estão usando triagem computacional para encontrar novos MOFs para aplicações específicas”, diz Randall Snurr, professor de engenharia química e biológica na Northwestern University, que não esteve envolvido no o estudo. “Usando métodos de machine learning que eles desenvolveram anteriormente, eles conseguiram se concentrar na geração de estruturas MOF com alta estabilidade, o que é uma consideração importante para aplicações práticas.”
A pesquisa foi financiada pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA, uma Bolsa de Pesquisa de Pós-Graduação da National Science Foundation, o Escritório de Pesquisa Naval, o Departamento de Energia, um MIT Portugal Seed Fund e a National Research Foundation of Korea.
Publicado em 09/04/2023 10h56
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