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Jun 05, 2023

El camaleón de la química: el yo

Por la Universidad Estatal de Florida 6 de julio de 2023 Ejemplos de jardines químicos producidos en el laboratorio de Oliver Steinbock, profesor de química en la Universidad Estatal de Florida. Crédito: Cortesía del Estado de Florida

Por Universidad Estatal de Florida 6 de julio de 2023

Ejemplos de jardines químicos producidos en el laboratorio de Oliver Steinbock, profesor de química en la Universidad Estatal de Florida. Crédito: Cortesía de la Universidad Estatal de Florida

Florida State UniversityFlorida State University (Florida State or FSU) is a public space-grant and sea-grant research university in Tallahassee, Florida, United States that was established in 1851. The university comprises 16 separate colleges and more than 110 centers, facilities, labs, and institutes that offer more than 360 programs of study, including professional school programs." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Los científicos de la Universidad Estatal de Florida han desarrollado un modelo matemático que explica el crecimiento, la formación de patrones y las propiedades de autocuración de los jardines químicos. Estos conocimientos podrían conducir al desarrollo de materiales autorreparables.

Desde mediados del siglo XVII, los químicos han estado fascinados con las estructuras de colores brillantes, parecidas a los corales, que se forman al mezclar sales metálicas en una botella pequeña.

Hasta ahora, los investigadores no han podido modelar cómo funcionan estas estructuras tubulares engañosamente simples, llamadas jardines químicos, ni los patrones y reglas que gobiernan su formación.

En un artículo publicado esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences, investigadores de la Universidad Estatal de Florida presentan un modelo que explica cómo estas estructuras crecen hacia arriba, adoptan diferentes formas y cómo pasan de ser un material flexible y autocurativo a un uno más frágil.

“In a materials context, it’s very interesting,” said FSU Professor of Chemistry and Biochemistry Oliver Steinbock. “They don’t grow like crystals. A crystal has nice sharp corners and grows atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> átomo capa por capa de átomo. Y cuando se produce un agujero en un jardín químico, se cura solo. Estos son realmente los primeros pasos para aprender a fabricar materiales que puedan reconfigurarse y repararse a sí mismos”.

Normalmente, los jardines químicos se forman cuando se colocan partículas de sal metálica en una solución de silicato. La sal que se disuelve reacciona con la solución para crear una membrana semipermeable que se expulsa hacia arriba en la solución, creando una estructura de aspecto biológico, similar al coral.

Los científicos observaron los jardines químicos por primera vez en 1646 y durante años quedaron fascinados con sus interesantes formaciones. La química está relacionada con la formación de respiraderos hidrotermales y la corrosión de las superficies de acero donde se pueden formar tubos insolubles.

"La gente se dio cuenta de que eran cosas peculiares", dijo Steinbock. “Tienen una historia muy larga en química. Se convirtió más bien en un experimento de demostración, pero en los últimos 10 a 20 años los científicos volvieron a interesarse por ellos”.

La inspiración para el modelo matemático desarrollado por Steinbock, junto con el investigador postdoctoral Bruno Batista y la estudiante de posgrado Amari Morris, provino de experimentos que inyectaban constantemente una solución salina en un volumen mayor de solución de silicato entre dos placas horizontales. Estos mostraron distintos modos de crecimiento y el material comienza siendo elástico, pero a medida que envejece, el material se vuelve más rígido y tiende a romperse.

El confinamiento entre dos capas permitió a los investigadores simular una serie de patrones de formas diferentes, algunos de los cuales parecían flores, cabellos, espirales y gusanos.

En su modelo, los investigadores describieron cómo surgen estos patrones a lo largo del desarrollo del jardín químico. Las soluciones salinas pueden variar mucho en su composición química, pero su modelo explica la universalidad de la formación.

Por ejemplo, los patrones pueden consistir en partículas sueltas, membranas plegadas o filamentos autoextendibles. El modelo también validó las observaciones de que las membranas nuevas se expanden en respuesta a microrupciones, lo que demuestra las capacidades de autocuración del material.

“Lo bueno que obtuvimos es que llegamos a la esencia de lo que se necesita para describir la forma y el crecimiento de los jardines químicos”, dijo Batista.

Referencia: “Selección de patrones por envejecimiento del material: modelado de jardines químicos en dos y tres dimensiones” por Bruno C. Batista, Amari Z. Morris y Oliver Steinbock, 3 de julio de 2023, Actas de la Academia Nacional de Ciencias.DOI: 10.1073/pnas. 2305172120

This work was supported by NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA y la Fundación Nacional de Ciencias.