Nanotecnología

    En la actualidad el uso de catalizadores en la fabricación de materiales sintéticos es una práctica generalizada. Los catalizadores positivos (llamados simplemente “catalizadores”) son sustancias que reducen la energía necesaria para llevar a cabo la transformación de los reactivos en productos, elevando la velocidad de la reacción química. Los catalizadores negativos (normalmente llamados “inhibidores” ), por contra, reducen la velocidad de la reacción química.   El diseño de catalizadores más eficientes, selectivos y específicos conllevaría un ahorro significativo en los costes de producción para la industria. Es aquí donde interviene la nanociencia mediante el desarrollo de los llamados “nanocatalizadores”. Comprender los principios que rigen el comportamiento de estas sustancias resulta clave para poder desarrollar nuevos catalizadores más eficaces.   En este sentido cabe destacar el descubrimiento de carga en un nanocatalizador, toda una revolución, que data del año pasado (21 de enero del 2005, NC&T). El hallazgo es fruto del trabajo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia (Estados Unidos) y la Universidad Técnica de Munich (Alemania).   Mientras estudiaban conglomerados de oro de dimensiones nanométricas en una superficie de óxido de magnesio (MgO), los científicos encontraron una evidencia directa de carga eléctrica en un nanocatalizador.
   El estudio en cuestión se basa en investigaciones conjuntas llevadas a cabo desde 1999 por ambos grupos, al descubrir que el oro es un catalizador muy eficaz cuando está en nanoagrupaciones o racimos nanoscópicos de entre ocho y dos docenas de átomos. Esos tamaños específicos permiten que los racimos de oro asuman una estructura tridimensional, lo cual repercute de manera importante en su reactividad. Así, es posible ajustar la catálisis no sólo cambiando la composición de los materiales, sino también cambiando el tamaño de estos racimos átomo a átomo.
   En los estudios tempranos de la reacción en que el monóxido de carbono (CO) y el oxígeno molecular (O₂) se combinaban para formar dióxido de carbono (CO₂), el grupo de Uzi Landman (director del Centro de Ciencia de Materiales para Computadoras y catedrático de Física en el Instituto Tecnológico de Georgia, Estados Unidos) usó simulaciones por ordenador, prediciendo que cuando los nanorracimos de oro de ocho átomos fueran usados como catalizadores y el MgO como lecho catalítico, las reacciones ocurrirían si dicho lecho catalítico tuviera defectos en forma de vacantes de oxígeno, pero no se darían en caso de que el MgO estuviese libre de defectos.   Los experimentos de Ueli Heiz, profesor de química en la Universidad Técnica de Munich, confirmaron esta predicción, y ambos equipos concluyeron que el oro debía estar fijándose al defecto de la red, donde capturaría un electrón que proporcionara al oro una ligera carga negativa. Las simulaciones teóricas mostraron que la estructura electrónica de los racimos encaja con el O₂ y el CO. El oro cargado transferiría un electrón a las moléculas que reaccionaban, debilitando así los enlaces químicos que las mantenían unidas. Una vez que el enlace estuviera suficientemente debilitado, éste se rompería, permitiendo el desarrollo de la reacción.

   En el último estudio realizado antes de la publicación de su hallazgo, los investigadores corroboraron experimentalmente lo que habían predicho teóricamente: Usando racimos de ocho átomos de oro como catalizadores y MgO como lecho catalítico, el equipo midió y calculó la fuerza de los enlaces en el CO, registrando la frecuencia de vibraciones de la molécula. Si el CO presenta un enlace fuerte, se registra una cierta frecuencia de esta vibración. Si el enlace del CO se debilita, la frecuencia de las vibraciones disminuye. Los investigadores observaron que, cuando tenían defectos en el MgO, se registraban desplazamientos mayores que aquellos correspondientes a la utilización de MgO sin defectos.
   Bokwon Yoon, autor principal del estudio a la par que investigador experimentado en el grupo de Landman, consideró entonces muy satisfactoria la concordancia entre valores teóricos y experimentales de los cambios en la frecuencia de vibración, pues confirmaba los mecanismos de adquisición de cargas y enlace que el grupo había propuesto.

   Por su parte, Heiz resaltó el hecho de que todo el proceso sucediera a bajas temperaturas. Normalmente, las reacciones con catalizadores necesitan calor o presión para activarse, lo cual aumenta el costo, pero no es así en este caso. Puesto que las propiedades de los lechos catalíticos pueden aumentar la tasa de reacciones con el uso de nanocatalizadores, es viable hallar nuevos y mejores catalizadores a baja temperatura. Se abría así la puerta a una serie de ventajas más que interesantes para la industria.

    En su momento, los investigadores comprendieron la importancia de los defectos en los lechos catalíticos así como del número específico de átomos de que consta el catalizador. Hoy es posible afirmar que la importancia de estos defectos radica en que permiten que el catalizador se cargue eléctricamente.    Todo indica que estas pautas conducirán a nuevas investigaciones en busca de nanocatalizadores capaces de operar bajo condiciones menos exigentes de presión y temperatura y más baratas.

Este artículo fue publicado el 30-Marzo-2007 a las 9.22 am por Israel Macho bajo la categoría Nanomateriales y Nanodispositivos. Puede obtener un aviso de los comentarios a este artículo usando el RSS 2.0 feed.

Tags: catalizadores, cinética química, industria, inhibidores, nanoagrupaciones o racimos nanoscópicos, nanocatalizadores