Los investigadores "filman" el funcionamiento de un nuevo catalizador
Un novedoso esquema de catálisis permite reacciones químicas que antes eran prácticamente imposibles. Además, el método desarrollado en la Universidad de Bonn es respetuoso con el medio ambiente y no requiere metales raros y preciosos. Los investigadores registraron el curso exacto de la catálisis en una especie de película de alta velocidad. Para ello utilizaron láseres especiales que pueden hacer visibles procesos que duran sólo fracciones de milmillonésima de segundo. Los resultados les permiten seguir optimizando el catalizador.
Supongamos que estás jugando al minigolf. Hay una pequeña colina en el campo que la pelota de golf tiene que superar para rodar hasta el agujero que hay detrás. Para ello, tiene que golpearla con suficiente fuerza. De lo contrario, no superará el obstáculo, sino que volverá rodando hacia ti.
Lo mismo ocurre con muchas reacciones químicas: Para que se produzcan, primero hay que suministrarles suficiente energía. Un catalizador reduce esta energía de activación. Para no salirnos de la imagen: Nivela un poco la colina para que la bola necesite menos impulso para rodar sobre ella. Por tanto, la reacción es más fácil y rápida. "Algunas reacciones incluso sólo son posibles gracias al uso de catalizadores", explica el Prof. Dr. Andreas Gansäuer.
Titanio en lugar de metales preciosos
El investigador trabaja en el Instituto Kekulé de Química Orgánica y Bioquímica de la Universidad de Bonn. Lleva años trabajando en cómo simplificar la producción de determinados compuestos de carbono. Para ello suele recurrir a catalizadores. El problema: a menudo, los "aceleradores de reacción" consisten en metales raros y preciosos como el platino, el paladio o el iridio.
"En su lugar solemos utilizar compuestos de titanio", explica Gansäuer. "Esto se debe a que el titanio es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre y, además, es completamente atóxico". Sin embargo, los catalizadores a base de titanio suelen necesitar un acompañante para poder acelerar las reacciones químicas. En la mayoría de los casos, se trata también de un metal. Activa el catalizador, (a diferencia de éste) se consume en la reacción y genera subproductos como residuos.
"Esto es costoso y poco sostenible", subraya el colega de Gansäuer, el Prof. Dr. Peter Vöhringer, del Instituto Clausius de Química Física y Teórica de la Universidad de Bonn. "Sin embargo, hace tiempo que se intenta conseguir esta activación de otra manera: Irradiando el catalizador con luz. Ahora hemos puesto en práctica esta idea. Al mismo tiempo hemos filmado, en cierto modo, los procesos que tienen lugar durante la activación y la catálisis."
Los láseres crean una "tormenta eléctrica"
La "cámara de alta velocidad" utilizada por los investigadores era un espectrómetro: se trata de un instrumento complejo que permite determinar el aspecto de una molécula en un momento determinado. Para que esto funcione, también se necesita un flash. Para ello, los investigadores utilizan un láser que se enciende y apaga continuamente. Los momentos brillantes duran cada uno sólo unos cientos de femtosegundos (un femtosegundo es la millonésima parte de la milmillonésima parte de un segundo). El proceso de catálisis se descompone así en una secuencia de imágenes individuales. "Esto nos permite visualizar procesos ultrarrápidos", afirma Vöhringer, especialista en este método.
No todas las moléculas pueden filmarse fácilmente. "Por eso tuvimos que hacer algunas modificaciones en el catalizador de titanio que utilizamos habitualmente", explica Gansäuer. Los experimentos demuestran que el compuesto puede ser activado por la luz y es entonces capaz de catalizar una forma específica de reacciones redox. En las reacciones redox, los electrones pasan de un reactivo a otro. "El catalizador activado facilita este proceso", explica Gansäuer. "Esto nos permite, por ejemplo, producir compuestos que sirven como materiales de partida para muchos fármacos importantes".
Ávidos de electrones
La "película de alta velocidad" documenta exactamente lo que ocurre durante la activación por luz. "Los electrones se asemejan a la aguja de una brújula que apunta en una dirección determinada", explica Jonas Schmidt, que está realizando su doctorado en el grupo de investigación del Prof. Vöhringer. "Este giro cambia como resultado de la irradiación". En sentido figurado, el compuesto de titanio se vuelve así "más ávido" de aceptar un electrón. Cuando lo hace, se inicia la reacción redox.
"Gracias a los conocimientos que hemos adquirido con nuestro método, ahora podemos seguir optimizando el catalizador", explica Vöhringer, que, al igual que el profesor Gansäuer, es miembro del Área de Investigación Transdisciplinar "Materia" de la Universidad de Bonn. Ya es posible utilizarlo para llevar a cabo reacciones químicas que antes eran difícilmente factibles". El éxito es también expresión de la fructífera cooperación entre la química orgánica, por un lado, y la física molecular y del láser, por otro, subraya Vöhringer: "Nuestro estudio muestra los frutos que puede dar la colaboración entre dos grupos de investigación con antecedentes metodológicos completamente diferentes."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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