A estabilidade material pode preserva o planeta. Uma equipe de químicos e engenheiros químicos usou modelagem computacional para projetar materiais ultra estáveis. Estes materiais seriam capazes de salvar o planeta de uma das suas maiores ameaças ambientais, o efeito estufa.
Os materiais conhecidos como estruturas metálicas orgânicas (MOFs) têm uma estrutura rígida semelhante a uma gaiola. Este material tem 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.
Encontrando uma saída
No entanto, nem todas as estruturas MOF possíveis são estáveis o suficiente para 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 “ultra estáveis”. As estruturas que receberam esta classificação tornaram-se as candidatas para aplicações, como a conversão de gás metano em metanol.
Os pesquisadores usaram dados e modelos próprios de aprendizado de máquina para criar blocos de construção que deveriam ter alta estabilidade. Ao recombinaram os blocos de maneiras consideravelmente mais diversas, o conjunto de dados foi enriquecido com materiais com maior estabilidade do que qualquer conjunto anterior.
Por que MOFs?
Os cientistas estão interessados nos MOFs porque eles têm uma estrutura porosa que os torna adequados para aplicações envolvendo gases, por exemplo: armazenamento de gás, separação de gases semelhantes entre si ou conversão de um gás em outro.
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, no entanto nem sempre eles levam em consideração a estabilidade do material resultante.
O caminho da descoberta
Em um estudo de 2021, Heather Kulik, professora associada de química e engenharia química do MIT e autora sênior do estudo, relatou um novo modelo que ela criou. O modelo é resultante da mineração de alguns milhares de papéis em MOFs. O objetivo era 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, os pesquisadores geraram cerca de 50.000 novas estruturas MOF.
O olhar para simetrias
Uma das coisas consideradas únicas no conjunto, pelos pesquisadores, são as simetrias de cristal muito mais diversas do que nunca antes. Isso só foi possível por conta do uso desses blocos de construção que vieram apenas de MOFs altamente estáveis sintetizados experimentalmente.
Os pesquisadores então usaram seus modelos computacionais para prever o quão estável seria cada uma dessas 50.000 estruturas. A partir dessa análise, eles identificaram cerca de 10.000 que consideraram ultra estáveis, 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 ultra estáveis que identificaram tinham boas capacidades de entrega de metano e também eram mecanicamente estáveis, conforme medido por seu módulo de elasticidade previsto.
O que ainda é preciso
De acordo com os pesquisadores, projetar um MOF requer a consideração de muitos tipos de estabilidade, mas os novos modelos permitem uma previsão de custo quase zero de estabilidade térmica e de ativação. Ao entender também a estabilidade mecânica desses materiais, eles oferecem 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.
Quais os próximos passos
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 ultra estáveis para pesquisadores interessados em testá-los para suas próprias aplicações científicas.
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.
