¿Qué sorpresa nos depara la química?

El Futuro de la Química: Parte 9

¿QUÉ SORPRESA NOS DEPARA LA QUÍMICA?

Científicos de renombre apuestan por áreas de la química poco conocidas que podrían cambiar el mundo.

En la Grecia del siglo V a.C., Leucipo de Mileto y su discípulo Demócrito desarrollaron una teoría que afirmaba que toda materia se compone de unidades básicas llamadas átomos. Estos átomos, según dijeron, eran pequeños e indivisibles, y existían en un estado continuo de movimiento en el vacío. En este vacío se producían colisiones que a veces llevaban a su agrupamiento y otras rebotaban en sentidos opuestos. Según cómo reaccionaban, provocaban cambios en la materia.

Este concepto de átomo fue ampliamente ignorado durante milenios. A pesar de la extraordinaria idea que tuvieron Leucipo y Demócrito, su teoría no se confirmó hasta el siglo XIX gracias al trabajo del químico inglés John Dalton.

A lo largo de la historia, muchas grandes ideas han sido rechazadas, ignoradas o no han funcionado hasta después de mucho tiempo. Actualmente, los investigadores trabajan en descubrimientos que cambiarán el mundo. ¿Pero, llegarán a recibir toda la atención que merecen?

En este último artículo de la serie El Futuro de la Química, químicos de todos los rincones del mundo hacen sus apuestas sobre áreas de la química poco conocidas que podrían cambiar las reglas del juego.

Michelle Coote, catedrática, Escuela de Investigación de Química de la Universidad Nacional Australiana; editora asociada, Journal of the American Chemical Society

¿Qué? Campos eléctricos que sirven como catalizadores

¿Por qué? El uso de campos eléctricos actuando como catalizadores todavía no es común. El primer artículo que demostraba este proceso en una reacción de tipo no-redox que se publicó en 2016 en Nature (DOI: 10.1038/nature16989). “Creo que tiene un potencial inmenso y que sólo acabamos de empezar a explorarlo,” dice Coote. “No podría llegar más a tiempo, puesto que el uso de la electroquímica para iniciar reacciones químicas está empezando a ganar puntos como herramienta habitual en síntesis orgánica”.

También cree que el uso de campos eléctricos en catálisis podría tener aplicaciones en alta tecnología, como la microscopía de efecto túnel y, a mayor escala, en pilas electroquímicas. “Una posibilidad muy interesante sería aprovechar los campos creados dentro de la pila para catalizar reacciones no-redox, aprovechando los altos campos de la doble capa,” comenta. “Esto sería mucho más fácil de hacer a gran escala”.

Explotar esta técnica podría además ser mucho más económico que los métodos tradicionales, apunta Coote. “Los campos eléctricos conllevan una huella de carbono, eso está claro, pero no es necesaria una síntesis previa o separarlos del producto después. Es lo último en economía atómica. Mediante la optimización de la fuerza del campo y su orientación, podrían mejorarse la regio- y estereoquímica de una reacción, y así

A lo largo de la historia, muchas grandes ideas han sido rechazadas, ignoradas o no han funcionado hasta después de mucho tiempo.

Lili He, profesora adjunta, departamento de ciencia de la alimentación, Universidad de Massachusetts, Amherst

¿Qué? Química de los alimentos

¿Por qué? Uno de los mayores desafíos en la producción de alimentos serán las técnicas de ingeniería de preservación para reducir la pérdida de la comida durante su almacenaje, dice He. Los químicos desarrollarán conservantes más efectivos y la química de los alimentos también transformará sus técnicas de procesamiento y embalaje, predice.

Por ejemplo, envases funcionales, en los que ciertos aditivos químicos puedan interaccionar con el contenido, supondrán una protección adicional para evitar desperdiciar alimentos y mejorar su trazabilidad. “Sería ampliamente apreciado en la mejora y seguridad de la producción global”, dice.

Otro de los argumentos de He es que la química de los alimentos será una ciencia fundamental, a medida que los consumidores se vuelven más exigentes con la comida. “Exigimos que sea natural, orgánica, sin transgénicos, baja en azúcar, en sal y en grasas, pero además la comida tiene que estar rica y ser asequible”, anota. A medida que los aditivos naturales, como endulzantes y conservantes, se vuelven más y apetecibles, He afirma que las pruebas para controlar la pureza serán necesarias.

“Toda esta reformulación de nuestros productos alimentarios requiere grandes esfuerzos por parte de los químicos de alimentos”, dice.

Roald Hoffmann, Profesor Emérito en Humanidades Frank H. T. Rhodes, departamento de química y biología química, Universidad de Cornell

¿Qué? Síntesis de nuevas formas de C, CH, y CO

¿Por qué? Nobel de Química en 1981 por sus teorías sobre las reacciones químicas, piensa que necesitamos cambiar nuestra forma de pensar sobre el carbono, el grafano (que es grafeno completamente hidrogenado), y el monóxido de carbono. “Necesitamos buenos procedimientos para conseguir formas razonablemente puras de [grafano y monóxido de carbono], así como de los muchos alótropos metaestables del propio carbono que han sido predichos teóricamente”, dice. Y, además, afirma que los científicos han arañado superficialmente su química.

"Los cálculos computacionales más fiables muestran que el benceno no es la forma más estable de la combinación CH”, comenta, “sin embargo, una familia de grafanos, polímeros bidimensionales, sí lo es”.

Pero para Hoffman las aplicaciones de nuevas formas de carbono, grafano y monóxido de carbono no son cruciales, más bien es su contribución al conocimiento sobre principios científicos fundamentales

Taeghwan Hyeon, Profesor Ilustre en SNU, departamento de ingeniería química y biológica, Universidad Nacional de Seúl; editor asociado, Journal of the American Chemical Society

¿Qué? Cristalización

¿Por qué? El proceso de cristalización, en el que líquido y vapor se transforman en sólidos cristalinos, es un tipo de química subestimada, dice Hyeon. La nucleación, la etapa inicial en la cual los patrones cristalinos comienzan a formarse, se muestra muy prometedora en futuras aplicaciones.

Además de modelos termodinámicos abstractos, los científicos tienen un conocimiento limitado sobre cómo los átomos y las moléculas se trasforman, explica Hyeon. “Aunque la cristalización es el origen del orden atómico y de las propiedades del estado sólido, el mecanismo microscópico de ensamblaje átomo a átomo todavía se nos resiste y no está claro”.

Según Hyeon, la cristalización afectará a nuestra comprensión de temas tan variados como la formación de nubes, la corrosión, la producción de medicamentos-partícula y la fabricación de láminas delgadas. “La fabricación de chips informáticos implica varios procesos de obtención de láminas delgadas, que son básicamente métodos de cristalización”, nos dice. “Por tanto, comprender el proceso de cristalización, por ejemplo la nucleación y el crecimiento, es crítico para obtener láminas delgadas de alta calidad”.

Prashant Kamat, Profesor de Ciencias, departamento de química y bioquímica y Laboratorio de Radiación, Universidad, Notre Dame; editor jefe de ACS Energy Letters

¿Qué? Enlaces químicos y estados de oxidación

¿Por qué? Kamat cree que los enlaces químicos a medida y los estados de oxidación jugarán un papel clave en el futuro del almacenaje energético, contribuyendo a hacer fuentes de energía

Algunos estudios ya han probado que la isomerización foto inducida cis-trans tiene potencial para almacenar energía, explica. “De forma similar, también se ha experimentado con los estados oxidado y reducido de un par redox para el almacenamiento de energía a gran escala en pilas líquidas”.

Kamat señala que, aunque la cantidad de energía que puede almacenarse por molécula es pequeña, en conjunto puede llegar a ser significativa, "Es necesario un esfuerzo colectivo para diseñar nuevas moléculas capaces de capturar de forma efectiva y almacenar la energía lumínica, y distribuirla según la demanda”, dice.

G. Narahari Sastry, jefe de grupo, Consejo de Investigación Ceintífica e Industrial, Instituto Indio de Tecnología Química

¿Qué? Diagnóstico de composición molecular y de materiales

¿Por qué? Sastry predice que los nuevos métodos para la identificación de moléculas peligrosas o poco deseables en materiales tendrán gran impacto en áreas tan variadas como la seguridad, el medioambiente, la producción de alimentos y la salud. Si podemos detectar con rapidez moléculas utilizadas para la guerra química, explosivos o toxinas nuestra calidad de vida mejorará significativamente, explica.

Las técnicas de espectroscopía avanzada serán claves para la identificación de la molécula, dice. Varias organizaciones, incluyendo la Organización para la Prohibición de las Armas Químicas, ya utilizan herramientas analíticas tales como la resonancia magnética nuclear y la espectrometría de masas para la detección de productos químicos dañinos. Los detectores de ondas acústicas superficiales, unos instrumentos capaces de separar muestras mediante una membrana e identificar los agentes que los componen, también poseen un gran potencial. “Si desempeñamos nuestra labor de forma cabal seremos capaces de superar muchos obstáculos en áreas como la salud, la sustentabilidad y el medioambiente”, dice Sastry.

Los miembros de su grupo están investigando la manera de implementar la ciencia de datos y la quimio-informática en el desarrollo de “huellas dactilares moleculares” fáciles de identificar.

"Aunque nuestro trabajo se encuentra en su infancia esperamos que nuestros métodos computacionales sean de gran ayuda para la clasificación e identificación de explosivos y otras armas químicas en el futuro”.

Richard N. Zare, Profesor de Ciencias Naturales Marguerite Blake Wilbur, departamento de química, Universidad de Stanford

¿Qué? Microgotas de agua

¿Por qué? Las microgotas, unas gotitas de agua diminutas que no miden más de 1 µm, poseen cualidades especiales que traerán grandes avances en química, comenta Zare (que se autoproclama evangelista de las microgotas).

“Las gotas pueden usarse en análisis químicos, ayudan a entender las reacciones químicas y a sintetizar compuestos químicos de una forma bastante diferente a cómo se hace en disoluciones acuosas”, explica el ganador de la medalla Priestley de la ACS en 2010. “Hemos demostrado en repetidas ocasiones que muchas reacciones pueden acelerarse de forma significativa cuando se llevan a cabo en estas microgotas".

Zare y su equipo lo ha vuelto a demostrar recientemente en una publicación de Octubre de 2017 en Angewandte Chemie International Edition (DOI: 10.1002/anie.201708413). Los investigadores habían mostrado previamente que la adición de agua a los reactivos acelera la velocidad de reacción. Pero con las microgotas de agua se ha observado una mayor aceleración de las reacciones, hasta 10 2 veces mayor. “En realidad, en las microgotas podemos observar reacciones que no ocurren en disoluciones a gran escala”, comenta Zare.

Incluso es posible que el agua pudiera actuar como catalizador “verde” en algunos casos, lo que “no es lo más convencional en el caso de esta sustancia química tan común”.

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Este artículo fue traducido del original en inglés.

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