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Científicos inventan un metal camaleónico que puede actuar como muchos otros

¿Le han sustraído recientemente el catalizador del coche?¿Conoce a alguien que haya sido víctima de esta clase de robo tan frecuente en los últimos tiempos? Si la tecnología avanza a pasos de gigante, los cacos tampoco se quedan atrás adaptándose a las nuevas demandas.

Los convertidores catalíticos de los automóviles son valiosos debido al rodio y paladio que contienen. Se trata de materiales costosos que a menudo escasean en todo el mundo y que se han convertido en una traba importante para el avance de la tecnología. De hecho, a la hora de escribir estas líneas el precio de elementos como el paladio se encuentra por encima del propio oro. ¿Pero, qué pasaría si una suerte de "alquimia" permitiera a los científicos crear materiales, concretamente metales, más baratos y comunes, que imitaran las propiedades de este y otros tipos de metales preciosos?

Los condensadores catalíticos y la irrupción de los metales camaleónicos

La cuestión tiene poco de alquimia y mucho de química, aunque en cierto modo lo que ha conseguido un equipo de investigadores de la Universidad de Minnesota Twin Cities se parece, en el fondo, a lo que buscaban los alquimistas de la Edad Media: convertir cualquier metal en oro.

Así, bajo la dirección de Paul Dauenhauer, profesor de ingeniería química y ciencia de los materiales en la Universidad de Minnesota, los investigadores han inventado un dispositivo innovador que convierte electrónicamente un metal para que se comporte como otro y usarlo como catalizador para acelerar las reacciones químicas.

El dispositivo fabricado, llamado condensador catalítico, es el primero en demostrar que algunos materiales son susceptibles de ser modificados electrónicamente para proporcionarles nuevas propiedades. La invención abre la puerta a nuevas tecnologías catalíticas que empleen catalizadores de metales no preciosos para aplicaciones importantes como el almacenamiento de energía renovable, la fabricación de combustibles renovables o de materiales sostenibles.

¿Cómo funcionan los nuevos condensadores catalíticos?

Durante el último siglo la química se ha enfocado en el uso de materiales específicos para promover la fabricación de la tecnología que usamos en nuestra vida cotidiana. Muchos de estos materiales, metales preciosos como el rutenio, el platino, el rodio o el paladio, tienen propiedades de superficie electrónica únicas. Es decir, pueden actuar como metales o como óxidos metálicos, lo que los hace fundamentales para controlar las reacciones químicas.

Algunos materiales son susceptibles de ser modificados electrónicamente para proporcionarles nuevas propiedades.

Para desarrollar su método y ajustar las propiedades catalíticas de otros materiales alternativos, los investigadores se basaron en el comportamiento de los electrones en las superficies. Así, el equipo probó con éxito la teoría de que al añadir o quitar electrones a un material se podría convertir un óxido metálico en algo que imita las propiedades de otro metal. Los autores explican sus resultados en una artículo que bajo el título Alumina Graphene Catalytic Condenser for Programmable Solid Acids se publica en la principal revista de acceso abierto de la American Chemical Society, JACS Au.

“Los átomos realmente no quieren cambiar su número de electrones, pero inventamos un condensador catalítico que nos permite ajustar el número de electrones en la superficie del catalizador”, explica Dauenhauer. "Esto abre una completamente nueva para controlar la química de algunos metales y hacer que materiales abundantes actúen como metales preciosos".

"Combinamos una película de alúmina a nanoescala hecha de metal de aluminio de bajo coste y grafeno que luego pudimos ajustar para que adquiriera las propiedades de otros materiales", cuenta por su parte Tzia Ming Onn, la investigadora postdoctoral de la Universidad de Minnesota que fabricó y probó los condensadores catalíticos. "La capacidad para ajustar las propiedades catalíticas y electrónicas del catalizador superó nuestras expectativas", añade.

El diseño del condensador catalítico tiene utilidad para una gran variedad de aplicaciones. Esta versatilidad procede de su fabricación, la cual incorpora grafeno como componente habilitador de la capa superficial activa. El poder del dispositivo para estabilizar electrones -o la ausencia de electrones, a la que los científicos se refieren como "agujeros" - se puede ajustar con una composición variable de los materiales. Así, la capa activa del dispositivo también puede añadir a cualquier material catalizador base aditivos adicionales, que luego pueden ajustarse para lograr las propiedades de materiales catalíticos costosos.

"Vemos el condensador catalítico como una tecnología que se puede implementar en una gran cantidad de aplicaciones de fabricación”, explica Dan Frisbie, profesor y director del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales de la Universidad de Minnesota y miembro del equipo de investigación. "Tanto el diseño central como los componentes novedosos se pueden modificar dando lugar a casi cualquier proceso químico que podamos imaginar".

El equipo planea continuar su investigación sobre condensadores catalíticos aplicándolos a metales preciosos para algunos de los problemas ambientales y de sostenibilidad más importantes de la actualidad. Por el momento, con el apoyo financiero del Departamento de Energía de Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias, ya en marcha varios proyectos paralelos entre los que destacan el almacenaje de energía renovable, la fabricación de plásticos reciclables, o la limpieza de flujos gaseosos.