Modelo BET

Cómo medimos la textura y el área superficial de los materiales porosos

Una mirada a los métodos de adsorción de gases y al modelo BET

Cuando hablamos de “textura” en materiales, no nos referimos a cómo se sienten al tacto, sino a su estructura interna: la presencia de poros, cavidades y canales que determinan cómo un gas o un líquido puede entrar y salir de ellos. En campos como la catálisis, la purificación de gases, el almacenamiento de energía o la ciencia de materiales avanzados, conocer esta textura es esencial.

Un material poroso puede tener millones de huecos diminutos, del tamaño de nanómetros, que aumentan enormemente su área superficial. Esto significa que una pequeña cantidad de sólido puede exponer una superficie interna inmensa, lo que mejora su reactividad, capacidad de adsorción o eficiencia en procesos químicos. Pero, ¿cómo se mide algo tan abstracto como el área interna de un sólido?

La física detrás de la adsorción

La técnica más usada para estudiar la textura de materiales porosos se basa en la adsorción física de gases. En este proceso, se expone una muestra sólida a un gas (como nitrógeno o dióxido de carbono) a bajas temperaturas, y se mide cuánta cantidad de gas se adhiere a su superficie a diferentes presiones. Este fenómeno, conocido como fisisorción, ocurre gracias a fuerzas débiles de Van der Waals.

Al graficar la cantidad de gas adsorbido frente a la presión relativa (p/p₀), obtenemos una isoterma de adsorción. La forma de esta curva revela mucho sobre el material: si es microporoso, mesoporoso o macroporoso, y cómo se distribuyen los tamaños de sus poros.

El modelo BET: una puerta al mundo interno de los sólidos

Para traducir esos datos experimentales en un valor numérico del área superficial, se utiliza el modelo de Brunauer, Emmett y Teller (BET), desarrollado en 1938. Este modelo extiende la teoría de Langmuir (que consideraba solo una capa de adsorción) a múltiples capas.

En términos sencillos, el modelo BET asume que el gas se adhiere primero formando una monocapa sobre el sólido, y que sobre ella se apilan otras capas sucesivas, hasta llegar a un equilibrio entre la condensación y la evaporación del gas. La clave está en identificar la cantidad de gas que forma esa primera monocapa, porque a partir de ella se calcula el área superficial específica del material.

¿Cómo se aplica el modelo BET?

Experimentalmente, se mide el volumen de gas adsorbido a distintas presiones relativas, y se grafica la ecuación linealizada de BET:

v[(p₀/p) − 1] = (1 / (vₘC)) + ((C − 1)p) / (vₘC p₀)

Al representar v[(p₀/p) − 1] contra p/p₀, la pendiente y la ordenada permiten calcular el volumen de monocapa (vₘ) y la constante C, relacionada con la energía de adsorción. El rango más adecuado para este ajuste suele encontrarse entre 0.05 y 0.30 en p/p₀, donde la linealidad se mantiene y los resultados son más fiables.

Interpretar el área superficial

Una vez determinado el volumen de monocapa, se calcula el área superficial específica (S_BET) considerando el área ocupada por una molécula de gas adsorbida. En el caso del nitrógeno, se utiliza un valor promedio de 0.162 nm² por molécula. Así, se obtiene un valor expresado en m²/g, que permite comparar distintos materiales.

Por ejemplo:

• Un vidrio poroso puede tener 10–50 m²/g.
• Un carbón activado puede superar los 1000 m²/g.
• Un MOF (Material Organometálico Poroso) puede alcanzar más de 5000 m²/g.

Más allá del modelo: limitaciones y consideraciones

Aunque el método BET es uno de los pilares en la caracterización de materiales porosos, no está exento de limitaciones. Su precisión depende de que las hipótesis del modelo se cumplan razonablemente:

• Las capas de adsorción son homogéneas y no interactúan entre sí.
• La superficie del sólido es energéticamente uniforme.
• El gas no se disocia ni reacciona con la superficie.

En materiales microporosos (con poros menores de 2 nm), estas suposiciones se rompen. La adsorción ocurre de forma tan intensa que la formación de múltiples capas no es gradual, y el modelo BET tiende a sobreestimar el área superficial. En estos casos, se utilizan modelos más complejos, como Langmuir o Dubinin–Radushkevich (DR), que consideran la naturaleza confinada del gas.

De los gases al diseño de materiales inteligentes

Conocer la textura y el área superficial de un material no es solo una curiosidad académica: es un paso esencial para diseñar materiales con funciones específicas. Los catalizadores industriales, los sensores, las baterías y los filtros de aire o agua dependen directamente de su estructura porosa.

En la investigación moderna, la combinación de técnicas como la adsorción de nitrógeno (BET), la difracción de rayos X y la microscopía electrónica permite construir un retrato completo del material, desde su superficie hasta su estructura cristalina.

En síntesis: El modelo BET sigue siendo una herramienta fundamental para entender la interacción entre gases y sólidos. Aunque sus límites son claros, su capacidad para revelar la complejidad interna de los materiales ha impulsado décadas de innovación en la ciencia de los materiales porosos.

Ya sea que hablemos de nuevos adsorbentes para capturar CO₂, catalizadores más eficientes o dispositivos de almacenamiento energético, el estudio de la textura y el área superficial sigue siendo una de las llaves más poderosas para abrir el mundo invisible que existe dentro de los materiales.