Descubra cómo se mueven los iones en el vidrio de fosfato
El vidrio de fosfato es un compuesto versátil que ha generado interés por su uso en pilas de combustible y como biomateriales para el suministro de iones terapéuticos. PAG2O5-el compuesto que forma la red estructural del vidrio fosfatado consiste en fósforo, un elemento que puede adoptar muchas configuraciones de unión diferentes en combinación con el oxígeno.
Las propiedades fisicoquímicas cruciales para la aplicabilidad real del vidrio de fosfato, por ejemplo, la reacción de hidratación que dicta la velocidad a la que un biomaterial a base de vidrio de fosfato se disolverá dentro del cuerpo, dependen de la difusión de iones en el vidrio. Por lo tanto, para mejorar las propiedades físico-químicas de los vidrios de fosfato, es importante comprender la relación entre la estructura y la difusión de iones. Sin embargo, estudiar tales interacciones a nivel atómico es extremadamente difícil, lo que llevó a los científicos a buscar un enfoque apropiado para arrojar luz sobre los detalles del proceso de difusión de iones.
Recientemente, un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Nagoya, dirigido por el Dr. Tomoyuki Tamura, descifró teóricamente el mecanismo de difusión de iones involucrado en el proceso de reacción de hidratación de los vidrios de fosfato. Su estudio fue publicado en la revista Physical Chemistry Chemical Physics.
En P totalmente conectado2O5-basados en vidrio de fosfato, tres de los átomos de oxígeno en cada unidad de fosfato están unidos a los átomos de fósforo vecinos. Para estudiar la dinámica de los iones en el vidrio de fosfato durante el proceso de hidratación, los investigadores utilizaron un modelo compuesto por fosfatos con QPAG2 y QPAG3 morfologías, que contienen dos y tres PO de oxígeno de derivación4 tetraedro, respectivamente, con seis estructuras de silicio coordinadas.
Los investigadores implementaron un enfoque computacional teórico conocido como “Simulación de los primeros principios de la dinámica molecular (MD)” para estudiar la difusión de iones de protones y sodio en el vidrio. Explicando el fundamento de su enfoque poco convencional, el Dr. Tamura dice: “La simulación MD de los primeros principios nos permitió tomar el paso inicial de infiltración y difusión de agua en el vidrio de silicofosfato y d. ‘Dilucidar la difusión de protones e iones inorgánicos por primera vez. «
Con base en su observación, los investigadores propusieron un mecanismo en el que los protones «saltan» y son adsorbidos al oxígeno que no forma puentes o al átomo de oxígeno «suspendido» de los fosfatos vecinos a través de enlaces de hidrógeno. Sin embargo, en el modelo de vidrio de fosfato que utilizaron, el QPAG2 las unidades de fosfato contribuyeron más fuertemente a la dispersión de protones que QPAG3 unidades de fosfato. Por lo tanto, encontraron que la morfología de la estructura de la red de fosfato, o la «columna vertebral» del vidrio, afecta en gran medida la difusión de iones. También notaron que cuando un ion de sodio estaba presente cerca, la adsorción de un protón en un QPAG2 La unidad de fosfato debilitó la interacción electrostática entre los iones de sodio y oxígeno, induciendo la difusión en cadena de los iones de sodio.
La demanda de nuevos biomateriales para la prevención y el tratamiento eficaces está aumentando, y los vidrios de fosfato están bien posicionados para satisfacer esta creciente necesidad. Una gran parte de la población, compuesta tanto por ancianos como por jóvenes, padece enfermedades relacionadas con la debilidad ósea y muscular. Como presume el Dr. Tamura, “el vidrio de silicofosfato soluble en agua es un candidato prometedor para administrar medicamentos o iones inorgánicos que promueven la regeneración de tejidos, y nuestro estudio acerca la investigación de la tecnología del vidrio a uno, no más cerca de lograr el objetivo.
Por lo tanto, los nuevos conocimientos de los investigadores inevitablemente tendrán un impacto profundo en la vida real y conducirán a avances en la investigación sobre pilas de combustible y materiales bioabsorbibles.
Referencia:
- Kazuya Takada, Tomoyuki Tamura, Hirotaka Maeda, Toshihiro Kasuga. Difusión de protones e iones de sodio en vidrios de silicofosfato: descripción general basada en simulaciones de dinámica molecular de primer principio. Química Física Química Física, 2021; 23 (27): 14580 DOI: 10.1039 / d1cp01646f
