Procedimiento de selección de nuevos materiales por estimación de la actividad catalítica o la aptitud para el almacenamiento de los radioelementos.

Procedimiento que permite clasificar sólidos cristalinos por orden de eficacia para un gran número deaplicaciones,

utilizable para la selección de un nuevo material MAB activo en forma de sólido cristalino cuyo uso haceintervenir la formación o la modificación de al menos una unión química o impone evitar la formación de dicha unión,y cuyo elemento activo es AB, por estimación de una propiedad de uso de este material, que es, o bien la actividadcatalítica, o bien la aptitud para el almacenamiento de radioelementos de dicho material, cuyo procedimientocomprende las etapas siguientes:

a) determinación del valor de los descriptores DXY para un conjunto de materiales MXY cuyo elementoactivo es XY y cuyo índice RXY que mide la propiedad de uso de dichos materiales es conocido;

b) trazado o expresión matemática de la correlación RXY≥f(DXY), siendo conocido el índice RXY;

c) cálculo del descriptor DAB para el material MAB;

d) determinación del índice RAB que constituye una estimación de la propiedad de uso para el materialMAB trasladando el valor DAB a la correlación RXY≥f(DXY) o utilizando la expresión matemática de dichacorrelación,

y donde los descriptores DXY y DAB son determinados por medio de un procedimiento que comprende las etapassiguientes:

1) identificación de las características cristalinas del material XY (o AB) por analogía con estructurasexistentes o cuando están disponibles en una base de datos cristalográficos;

2) cálculo de la energía total por malla unitaria de la red de Bravais de XY (o AB);

3) eventualmente, cuando no se dispone de estos datos cristalográficos, investigación iterativa de losvalores de los parámetros de malla de la estructura minimizando la energía total según el método decálculo adoptado y definiendo la malla óptima XY (o AB) de energía total EXY (o EAB);

4) construcción de la submalla X (o A) obtenida eliminando los átomos de tipo B de la malla óptima XY (oAB);

5) cálculo de la energía total EX (o EA) por malla unitaria de la red de Bravais de A;

6) construcción de la submalla Y (o B) obtenida eliminando todos los átomos pertenecientes alcomplemento X (o A) en la malla óptima XY (o AB);

7) cálculo de la energía total EY (o EB) por malla unitaria Y (o B) de la red de Bravais de Y (o B);

8) determinación del número n de átomos de X (o A) presentes en la primera esfera de coordinación deun átomo Y (o B) en la malla óptima XY (o AB);

9) determinación del número b de átomos Y (o B) por malla óptima XY (o AB);

10) cálculo del descriptor DXY≥[EXY-(EX+EY)]/nb o DAB ≥ [EAB-(EA+EB)]/nb.

Procedimiento de selección de nuevos materiales por estimación de la actividad catalítica o la aptitud para el almacenamiento de los radioelementos La invención se relaciona con un procedimiento de estimación de una propiedad de uso, que es, o bien la actividad de un catalizador, o bien la capacidad de confinamiento de un radioelemento en una matriz mineral sólida, de un material MAB cuyo elemento activo es AB. El procedimiento según la invención permite clasificar sólidos cristalinos por orden de eficacia para un gran número de aplicaciones y, por lo tanto, seleccionar nuevos materiales catalíticos o de almacenamiento de radioelementos cuyo uso hace intervenir la formación o la modificación de al menos una unión química caracterizada por un descriptor DAB o impone evitar la formación de dicho enlace.

Técnica anterior En el estado presente de la técnica, no se contempla la selección o la concepción de materiales con vistas a una aplicación determinada más que sobre una base experimental, según el método de ensayo y error. Esta práctica es evidentemente larga y costosa, y cualquier procedimiento que autorizara un aligeramiento significativo de esta fase de investigación presentaría una ventaja técnica y económica.

Numerosas propiedades de uso de los materiales están, en gran medida, directamente determinadas por las fuerzas de cohesión química inherentes a su composición: es, por ejemplo, el caso de las propiedades mecánicas (módulo elástico, resistencia a la ruptura, dureza...) de los metales y de sus aleaciones, de las cerámicas o de los materiales de construcción, o también el caso de las solubilidades de elementos huésped, de las que se saca partido, por ejemplo, para la captura de elementos radiactivos en estructuras minerales con fines de almacenamiento. Estas fuerzas de cohesión química determinarán también todas las propiedades de superficie de los materiales, cuya importancia tecnológica es conocida por el experto en la materia: coeficiente de fricción, resistencia al desgaste, comportamiento frente a la corrosión, resistencia a la oxidación, adhesividad, humectabilidad, actividad catalítica...

Las fuerzas de cohesión química gobiernan también la estructura atómíca local de un material, y por ello su estructura electrónica y todas las propiedades físicas (electrónicas, ópticas, magnéticas...) que de ella derivan. Es así que la investigación de nuevas fases superconductoras de la corriente eléctrica a alta temperatura, o también la investigación de nuevos electrolitos sólidos con conductividad iónica mejorada para la fabricación de pilas de combustible más eficaces, se reducen a la investigación de compuestos químicos que presentan una organización local particular (véanse, por ejemplo: J. B. Goodenough, Nature, vol. 404, 20/04/2000, pp. 821-822, y las referencias citadas) .

El investigador de nuevos materiales para una aplicación dada se apoya actualmente en la medida de lo posible en los conocimientos y los métodos elaborados por la disciplina científica, que es la química del sólido: esta última cuantifica las estabilidades relativas de las estructuras en condiciones de temperatura y de presión dadas en base al concepto de entalpía de formación estándar.

Las entalpías de formación estándar de numerosos compuestos fueron medidas experimentalmente y tabuladas; permiten, por ejemplo, construir diagramas útiles llamados de "fases", con el fin de situar los dominios de condiciones de experimentación en cuyo interior las estructuras de interés permanecen estables. Sin embargo, estos datos y diagramas tienen un valor limitado para la invención de nuevas fases estales en un ámbito de utilización prescrito: todo lo más, el experto en la materia podrá, pues, extrapolar por analogía e intuición química a partir de las fases de estructura y composición conocidas.

Con objeto de guiar con lógica su acción, el químico que practica la síntesis de compuestos orgánicos o inorgánicos elaboró muy pronto la noción de afinidad química y luego, cuando se estableció bien la estructura atómica de la materia, la noción de fuerza de unión interatómica. La química teórica moderna tiene por objeto central la construcción de una teoría cuantitativa y predictiva de la unión química en el seno de los edificios atómicos moleculares o cristalinos.

La física cuántica ha proporcionado la base de una teoría matemática cuya extrema precisión se verifica tanto mejor y en un ámbito mayor a medida que el aumento de capacidad de los ordenadores electrónicos autoriza la resolución numérica de las ecuaciones constitutivas para composiciones químicas siempre más complejas. Estas técnicas de cálculo llamadas "ab initio", puesto que están libres del conocimiento previo de datos empíricos, se han desarrollado tanto en menos de dos décadas que ha resultado factible aprovecharlas para predecir la estabilidad, la geometría y las propiedades físicas y químicas de un edificio químico de composición dada, con anterioridad a cualquier experimento de síntesis en laboratorio.

Esta "concepción de materiales asistida por ordenador" es un campo de investigación metodológica muy activo, pero

del que se conocen aún un número muy limitado de éxitos prácticos. Estos éxitos están confinados a casos particulares, por ejemplo la puesta a punto de un catalizador de refinadura de hidrocarburos al vapor a base de níquel metálico, de estabilidad mejorada por depósito selectivo de átomos de oro en superficie (F. Besenbacher et al., Science, Vol. 279, 1913-1915, 20 de Marzo de 1998) , o también la evidenciación de una composición de cátodo que mejora significativamente el voltaje y disminuye el peso y el coste de una batería de litio (G. Ceder et al., Nature, Vol. 392, 694-696, 16 de Abril de 1998) . Estos casos de éxitos recientes ejemplifican más bien un método de verificación por el cálculo de una concepción de origen intuitivo, confirmada a posteriori por la medida experimental.

La ventaja económica de tales desarrollos no está claramente demostrada en la actualidad, pero cualquier experto en la materia les conferirá una superioridad de principio con respecto a la experimentación exploratoria por ensayo y error, cuya actualización dependerá de la rapidez y del coste de los cálculos que haya que realizar.

En este sentido, el muy rápido crecimiento con el tiempo de la capacidad de cálculo a coste constante, debido a los progresos en las tecnologías de integración de los circuitos electrónicos, deja augurar desarrollos decisivos en un futuro próximo. El procedimiento según la invención anticipa inesperadamente en esta dirección, como procedimiento de cálculo ab initio rápido de descriptores cuantitativos de la unión química en los sólidos cristalinos, permitiendo clasificar estos últimos por orden de eficacia para un gran número de aplicaciones de primera importancia tecnológica.

Una estrategia de investigación exploratoria de nuevos materiales que puede considerarse como diametralmente opuesta a la "concepción de materiales asistida por ordenador" definida anteriormente consiste en la "química combinatoria", aparecida desde hace varios años (véanse, por ejemplo, las Patentes US-A-5.959.297 y US-A5.985.356) y que no adquiere sentido más que asociada a técnicas llamadas «de experimentación de alto rendimiento». Se trata en este caso de explorar sistemáticamente por experimentación un espacio de composiciones y de condiciones de síntesis predefinido. Se preparan los materiales resultantes de estas combinaciones sistemáticas en muy pequeñas cantidades, justo suficientes para ensayos que permiten una selección según la o las propiedades deseadas. Las combinaciones que pasan las pruebas permiten redefinir un espacio de exploración más restringido, en cuyo seno se puede reiterar el procedimiento de síntesis combinatoria y de ensayo con objeto de afinar la identificación de las combinaciones conformes al objetivo inicial. Se sintetizan entonces la o las combinaciones descubiertas en mayores cantidades con objeto de medir sus propiedades de uso con precisión.

El enfoque de la "química combinatoria" ha sido recientemente objeto de considerables inversiones financieras que han conducido a importantes desarrollos tecnológicos. En este contexto, las tecnologías informáticas facilitan la gestión y el trazado de las propiedades de las muchas muestras sintetizadas y estudiadas a alto ritmo. Permiten además guiar el proceso generalmente robotizado de síntesis y ensayo a alto ritmo. Los objetivos de la "química combinatoria"... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento que permite clasificar sólidos cristalinos por orden de eficacia para un gran número de aplicaciones, utilizable para la selección de un nuevo material MAB activo en forma de sólido cristalino cuyo uso hace intervenir la formación o la modificación de al menos una unión química o impone evitar la formación de dicha unión, y cuyo elemento activo es AB, por estimación de una propiedad de uso de este material, que es, o bien la actividad catalítica, o bien la aptitud para el almacenamiento de radioelementos de dicho material, cuyo procedimiento comprende las etapas siguientes:

a) determinación del valor de los descriptores DXY para un conjunto de materiales MXY cuyo elemento activo es XY y cuyo índice RXY que mide la propiedad de uso de dichos materiales es conocido; b) trazado o expresión matemática de la correlación RXY=f (DXY) , siendo conocido el índice RXY; c) cálculo del descriptor DAB para el material MAB; d) determinación del índice RAB que constituye una estimación de la propiedad de uso para el material MAB trasladando el valor DAB a la correlación RXY=f (DXY) o utilizando la expresión matemática de dicha correlación, y donde los descriptores DXY y DAB son determinados por medio de un procedimiento que comprende las etapas siguientes:

1) identificación de las características cristalinas del material XY (o AB) por analogía con estructuras existentes o cuando están disponibles en una base de datos cristalográficos; 2) cálculo de la energía total por malla unitaria de la red de Bravais de XY (o AB) ; 3) eventualmente, cuando no se dispone de estos datos cristalográficos, investigación iterativa de los valores de los parámetros de malla de la estructura minimizando la energía total según el método de cálculo adoptado y definiendo la malla óptima XY (o AB) de energía total EXY (o EAB) ; 4) construcción de la submalla X (o A) obtenida eliminando los átomos de tipo B de la malla óptima XY (o AB) ; 5) cálculo de la energía total EX (o EA) por malla unitaria de la red de Bravais de A; 6) construcción de la submalla Y (o B) obtenida eliminando todos los átomos pertenecientes al complemento X (o A) en la malla óptima XY (o AB) ; 7) cálculo de la energía total EY (o EB) por malla unitaria Y (o B) de la red de Bravais de Y (o B) ; 8) determinación del número n de átomos de X (o A) presentes en la primera esfera de coordinación de un átomo Y (o B) en la malla óptima XY (o AB) ; 9) determinación del número b de átomos Y (o B) por malla óptima XY (o AB) ; 10) cálculo del descriptor DXY=[EXY- (EX+EY) ]/nb o DAB = [EAB- (EA+EB) ]/nb.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el cual el material AB es un catalizador y la propiedad de uso es la actividad catalítica de dicho catalizador en una reacción química.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el cual la propiedad de uso es la capacidad de confinamiento de un radioelemento en una matriz mineral sólida.

4. Procedimiento según la reivindicación 2, en el cual dicha reacción química es la hidrogenación del etileno o la hidrogenación del benceno o la hidrogenación del monóxido de carbono o la desalquilación al vapor del tolueno.