Nanotubos para superar la capacidad de filtración de agua de la naturaleza

28.08.2017

Simplemente con el tamaño adecuado, los nanotubos de carbono pueden filtrar el agua con mayor eficiencia que las proteínas biológicas, revela un nuevo estudio. Los resultados podrían abrir el camino a nuevos sistemas de filtración de agua, en un momento en que la demanda de agua dulce representa una amenaza global para el desarrollo sostenible.

Una clase de proteínas biológicas, llamadas acuaporinas, es capaz de filtrar eficazmente el agua, si bien los científicos no han sido capaces de fabricar sistemas escalables que imiten esta capacidad. Las acuaporinas suelen presentar canales para filtrar las moléculas de agua con una anchura de 0,3 nanómetros, lo que obliga a las moléculas de agua a formar una cadena en fila india. En esta ocasión, Ramya H. Tunuguntla y sus colegas experimentaron con nanotubos de diferentes anchuras para ver cuáles eran mejores filtrando agua.

Sorprendentemente, descubrieron que los nanotubos de carbono con un ancho de 0,8 nanómetros superaron a las acuaporinas en eficiencia de filtrado en un factor de 6. Los poros de nanotubos de carbono (nCNTP) seguían siendo lo suficientemente delgados como para obligar a las moléculas de agua a formar una cadena en fila india.

Los investigadores atribuyen las diferencias entre acuaporinas y nCNTP a las diferencias en el enlace de hidrógeno -mientras que los residuos de revestimiento de los poros de las acuaporinas pueden donar o aceptar enlaces H de moléculas de agua entrantes, las paredes de CNTP no pueden formar enlaces H, lo que permite un flujo de agua sin obstáculos. Los nCNTP de este estudio mantuvieron una permeabilidad superior a la del agua salada típica, disminuyendo solo ante concentraciones de sal muy elevadas. Por último, el equipo descubrió que al cambiar las cargas en la boca del nanotubo se puede alterar la selectividad de iones. Este avance se destaca en un estudio de Perspective de Zuzanna Siwy y Francesco Fornasiero.

Referencia 

http://www.quimica.es/noticias/164596/nanotubos-para-superar-la-capacidad-de-filtracion-de-agua-de-la-naturaleza.html 

Retos para las Simulaciones de Sistemas con Iones Metálicos

El desarrollo de modelos para el estudio de los iones metálicos está teniendo un acelerado crecimiento en la actualidad debido a la implementación de hardware con mayor poder de procesamiento, lo cual ha permitido que estudios que habría sido imposible llevar a cabo en el pasado sean viables hoy en día. A mediados del siglo pasado las simulaciones apenas conseguían modelar algo más allá del átomo de hidrógeno, mientras que actualmente es posible estudiar sistemas con cientos de átomos a partir de modelos basados en la mecánica cuántica; esto permite elucidar información a nivel atómico o electrónico que sería muy complicado obtener de forma experimental, permitiendo no sólo interpretar fenómenos químicos sino, también, proveer nuevas hipótesis.

En el ámbito del estudio de los iones metálicos, estos representan un reto mayor para el modelaje ya que sus orbitales d o f también pueden participar en enlaces químicos y cuentan con más electrones y formas complicadas; de igual forma, tienen múltiples estados de oxidación que resultan en sistemas altamente cargados que deben ser tomados en cuenta por las simulaciones. Por si fuera poco, otro reto para los modelos de metales de transición son las complicadas estructuras electrónicas de los mismos, ya que cuentan con varios estados de spin con energías cercanas, dificultando la predicción del estado basal del metal y el cálculo de las energías relativas de los distintos estados, puesto que estos pueden existir al mismo tiempo o ser degenerados. Además, los enlaces químicos de los sistemas que contienen metales de transición son más complicados que sus contrapartes orgánicas debido a su habilidad de tener entornos de coordinación flexibles o dinámicos, resultando en que sus enlaces sean caracterizados en un continuo de covalentes a iónicos, lo cual no es facilitado por el hecho de que los metales de transición puedan tener altos y flexibles números de coordinación.

Por desgracia, existen datos experimentales limitados sobre los metales de transición en comparación con los disponibles para los compuestos orgánicos, lo cual ralentiza el desarrollo de métodos de modelaje adecuados; tampoco es de ayuda que existan varias inconsistencias entre los datos experimentales y computacionales disponibles. A manera de superar todos estos retos, es imperioso el desarrollo de más estudios experimentales, nuevos softwares y mayores estudios de aplicación, puesto que esto permitiría que los métodos computacionales fueran parametrizados. No debe olvidarse, tampoco, que es importante no sólo estudiar estos sistemas con metales de transición a través de un acercamiento químico, sino que también es importante abordarlos desde perspectivas físicas; finalmente, el desarrollo de algoritmos requiere cruzar la brecha entre los modelos cuánticos y clásicos.

Referencia

Li, P., & Merz Jr, K. M. (2017). Metal ion modeling using classical mechanics. Chemical reviews, 117(3), 1564-1686.

Observación de un campo ligante trigonal plano en complejos de Sm, Tm, Yb y Eu

Los complejos del bloque f se caracterizan por tener altos números de coordinación y geometrías flexibles en las que son comunes las distorsiones, mismas que pueden ser indeseadas cuando se buscan geometrías de coordinación específicas para aplicaciones en materiales magnéticos o catalíticos. Asimismo, los compuestos con números de coordinación bajos proveen una intrigante reactividad que, para ser alcanzada con los complejos del bloque f, requiere de la utilización de ligantes estéricamente demandantes; para esto, los ligantes del tipo bis(sililamida) {N(SiMe)} (N’’) han sido empleados con frecuencia, especialmente para formar complejos del tipo [M^III(N’’)₃]. Estos últimos suelen tener geometrías de pirámide trigonal en sus estados sólidos cuando M es un metal del bloque f.

Habiendo previamente reportado una vía para la síntesis de complejos bis(sililamida) del bloque f con otras geometrías interesantes, tales como complejos casi lineales del tipo [Ln(N””)₂] (donde Ln es Sm, Eu, Tm o Yb, y donde N”” es {N(SiⁱPr₃)₂}) o complejos con geometrías trigonal planas del tipo [U(N**)₃] (donde N** es {N(SiⁱBuMe₂)₂}), investigadores de la Universidad de Manchester y la Universidad de California han reportado este año la síntesis del primer complejo trigonal plano Tm(II) a través de la utilización del ligante N**. La síntesis fue llevada a cabo en una atmósfera de argón con exclusión rigurosa de oxígeno y en ausencia de luz para los compuestos fotosensibles; el producto fue caracterizado con RMN, FTIR, espectroscopía UV-Vis, análisis elemental, cristalografía de rayos X, espectroscopía de luminiscencia, SQUID y otras técnicas, y, además, se hicieron estudios computacionales sobre el mismo.

Los precursores utilizados en el estudio fueron divalentes para evitar la mayor cantidad de reacciones simultáneas posibles, y, además del complejo ya mencionado, el estudio reportó la síntesis de una serie de complejos aniónicos trigonales planos con alguno de los tradicionalmente divalentes metales Sm, Eu, Yb. Estos complejos mostraron geometrías casi idénticas, y presentaron propiedades tanto ópticas como magnéticas muy diferentes a las de los complejos casi lineares de lantánidos divalentes con ligantes similares, resaltando la noción de que las propiedades buscadas para un material pueden ser ajustadas mediante el control de la geometría molecular de tales sistemas. Asimismo, se demostró que el ligante N** no es lo suficientemente grande como para excluir a las moléculas de solvente de la esfera de coordinación del lantánido en cuestión.

Referencia

Goodwin, C. A., Chilton, N. F., Natrajan, L. S., Boulon, M. E., Ziller, J. W., Evans, W. J., & Mills, D. P. (2017). Investigation into the Effects of a Trigonal-Planar Ligand Field on the Electronic Properties of Lanthanide (II) Tris (silylamide) Complexes (Ln= Sm, Eu, Tm, Yb). Inorganic Chemistry, 56(10), 5959-5970.