Los investigadores han detectado experimentalmente el cambio estructural del agua de hidratación confinada en los diminutos poros a escala nanométrica de materiales estratificados como las arcillas. Sus hallazgos abren potencialmente la puerta a nuevas opciones para la separación de iones y el almacenamiento de energía.
Investigar la interacción entre la estructura de las moléculas de agua que se han incorporado a los materiales en capas, como las arcillas, y la configuración de los iones en dichos materiales ha resultado ser un gran desafío experimental durante mucho tiempo. Pero los investigadores ahora han utilizado una técnica comúnmente utilizada en otros lugares para medir masas extremadamente pequeñas e interacciones moleculares a nivel nano para observar estas interacciones por primera vez.
Su investigación fue publicada en Comunicaciones de la naturaleza el 28 de octubre de 2022.
Muchos materiales adoptan una forma en capas a escala microscópica o nanométrica. Cuando están secas, las arcillas, por ejemplo, se asemejan a una serie de láminas apiladas unas sobre otras. Sin embargo, cuando tales materiales en capas se encuentran con agua, esa agua se puede confinar e integrar en los espacios o agujeros, o, más exactamente, en los ‘poros’, entre las capas.
Tal ‘hidratación’ también puede ocurrir cuando las moléculas de agua o sus elementos constituyentes, en particular un ion hidróxido (un ion cargado negativamente que combina un solo átomo de oxígeno y un solo átomo de hidrógeno) se integran en la estructura cristalina del material. Este tipo de material, un ‘hidrato’, no es necesariamente ‘húmedo’ aunque ahora el agua forma parte de él. La hidratación también puede cambiar sustancialmente la estructura y las propiedades del material original.
En este ‘nanoconfinamiento’, las estructuras de hidratación (cómo se organizan las moléculas de agua o sus elementos constituyentes) determinan la capacidad del material original para almacenar iones (átomos o grupos de átomos con carga positiva o negativa).
Este almacenamiento de agua o carga significa que dichos materiales en capas, desde arcillas convencionales hasta óxidos metálicos en capas y, de manera crucial, sus interacciones con el agua, tienen aplicaciones generalizadas, desde la purificación del agua hasta el almacenamiento de energía.
Sin embargo, estudiar la interacción entre esta estructura de hidratación y la configuración de los iones en el mecanismo de almacenamiento de iones de dichos materiales en capas ha resultado ser un gran desafío. Y los esfuerzos por analizar cómo cambian estas estructuras de hidratación en el transcurso de cualquier movimiento de estos iones («transporte de iones») son aún más difíciles.
Investigaciones recientes han demostrado que tales estructuras de agua y las interacciones con los materiales en capas juegan un papel importante en darles a estos últimos sus altas capacidades de almacenamiento de iones, todo lo cual a su vez depende de qué tan flexibles sean las capas que albergan el agua. En el espacio entre capas, los poros que no están llenos de iones se llenan de moléculas de agua, lo que ayuda a estabilizar la estructura en capas.
«Dicho de otra manera, las estructuras de agua son sensibles a cómo se estructuran los iones de la capa intermedia», dijo Katsuya Teshima, autor correspondiente del estudio y químico de materiales de la Iniciativa de Investigación de Supra-Materiales en la Universidad de Shinshu. «Y aunque esta configuración de iones en muchas estructuras cristalinas diferentes controla cuántos iones se pueden almacenar, tales configuraciones hasta ahora rara vez se habían investigado sistemáticamente».
Entonces, el grupo de Teshima buscó la «microbalanza de cristal de cuarzo con monitoreo de disipación de energía» (QCM-D) para ayudarlo con sus cálculos teóricos. QCM-D es esencialmente un instrumento que funciona como una balanza que puede medir masas extremadamente pequeñas e interacciones moleculares a nivel nano. La técnica también puede medir pequeños cambios en la pérdida de energía.
Los investigadores utilizaron QCM-D para demostrar por primera vez que se puede observar experimentalmente el cambio en la estructura de las moléculas de agua confinadas en el nanoespacio de los materiales en capas.
Lo hicieron midiendo la «dureza» de los materiales. Investigaron los hidróxidos dobles en capas (LDH) de una clase de arcilla cargada negativamente. Descubrieron que las estructuras de hidratación estaban asociadas con el endurecimiento de las LDH cuando ocurre cualquier reacción de intercambio iónico (un intercambio de un tipo de ion con un tipo diferente de ion pero con el mismo cambio).
«En otras palabras, cualquier cambio en la interacción iónica se origina con el cambio en la estructura de hidratación que ocurre cuando los iones se incorporan al nanoespacio», agregó Tomohito Sudare, colaborador del estudio ahora en la Universidad de Tokio.
Además, los investigadores descubrieron que la estructura de hidratación depende en gran medida de la densidad de carga (la cantidad de carga por unidad de volumen) del material en capas. Esto, a su vez, es en gran medida lo que rige la capacidad de almacenamiento de iones.
Los investigadores ahora esperan aplicar estos métodos de medición junto con el conocimiento de la estructura de hidratación de los iones para diseñar nuevas técnicas para mejorar la capacidad de almacenamiento de iones de los materiales en capas, abriendo potencialmente nuevas vías para la separación de iones y el almacenamiento de energía sostenible.
