Science Spain España, Wednesday, July 30 of 2008, 13:18

Química en Superficies: avances científicos y tecnológicos

Antonio Guerrero Ruíz, Director del Centro de Tecnologías Químicas Avanzadas del Instituto Universitario de Investigación de la UNED

Antonio Guerrero Ruíz/DICYT Las tradicionales divisiones en áreas de conocimiento de las Ciencias en general y de la Química en particular han quedado superadas en la última parte del siglo XX. Esta afirmación se puede justificar por la necesidad actual de aglutinar conceptos provenientes de varias disciplinas para resolver un determinado problema científico, o por la utilización de métodos de un determinado campo para profundizar en aspectos concretos de otra área.

 

En el caso de la Química, las decimonónicas separaciones entre Química Orgánica e Inorgánica quedaron sobrepasadas con el desarrollo de los compuestos organometálicos (piénsese en la hemoglobina, que siendo una molécula con un átomo de hierro en su estructura, por tanto un compuesto de coordinación inorgánico, es tan orgánica que está en nuestra sangre) o más recientemente con los llamados compuestos híbridos (muchos de ellos consistentes en polímeros orgánicos unidos o intercalados con óxidos metálicos).

 

También hay que recordar que disciplinas como la Bioquímica han enlazado de forma definitiva los conceptos de la Química con los de la Biología. Asimismo las fronteras entre las ciencias puras: Física, Química y Matemáticas, se han reducido enormemente. Establecido este argumento general para realizar la investigación moderna, lo podemos concretar en un campo como es la Química en Superficies, de reciente cuño en cuanto a su nombre, pero de dilatada aplicación en tecnologías e industrias que utilizan catalizadores heterogéneos.

 

La Química en Superficies consiste en el estudio de los procesos físicos y químicos que tienen lugar en las interfases de los distintos estados habituales de la materia: sólidos, líquidos y gases. Es decir, trata sobre las zonas de contacto entre los diferentes estados de la materia o fases, donde un conjunto de átomos, pequeño en cantidad de especies en comparación con el total de átomos y moléculas que constituyen las fases, interaccionan formando nuevas especies químicas. Por lo tanto, la Química en Superficies debe de cubrir los conceptos básicos de la Química del Estado Sólido y de la Química de la Coordinación.

 

El interés de la Química en Superficies como campo interdisciplinar de investigación radica en las múltiples aplicaciones y consecuencias derivadas de los procesos que tienen lugar en las superficies, entre los que podemos citar: reacciones electroquímicas, sistemas coloidales, detergencia y flotación, membranas biológicas, lubricación, corrosión, catálisis heterogénea, etc. Ciñéndonos a la aplicación de los conceptos de Química en Superficies en Catálisis Heterogénea, debemos recordar varios hechos claves en relación con la historia y las aplicaciones industriales. Así, resulta revelador que cuando en la tercera década del siglo XIX se comienza a escribir sobre el fenómeno de la “catálisis”, por J.J Berzelius o por M. Faraday, se refieren a una previa patente de 1831 consistente en un proceso catalítico heterogéneo, la fabricación del ácido sulfúrico.

 

No menos importante es otro desarrollo de catalizadores, éste de principios del siglo XX, que facilitó la síntesis del amoniaco usando como reactivo nitrógeno atmosférico. Este proceso industrial hizo posible la producción de fertilizantes y el advenimiento de la agricultura moderna, que entre otras cosas ha permitido poder alimentar a una población mundial en crecimiento exponencial a lo largo del pasado siglo. Podríamos profundizar en cómo la industria de los derivados del petróleo, basada en diversos procesos catalíticos, ha ayudado en la expansión del uso de los automóviles o de la aviación.

 

También en cómo los plásticos, producidos con catalizadores de polimerización de compuestos orgánicos, están ahora presentes en todos los materiales que nos rodean. Y de todo ello podemos concluir que la Catálisis, y por ende la Química en Superficies, pueden ser consideradas como pilares tecnológicos de la industria química y como conceptos clave en la resolución de nuevos problemas medioambientales y energéticos. Desde un punto de vista finalista, la Química en Superficies y su hija la Catálisis Heterogénea están presentes en los nuevos desarrollos industriales y tecnológicos que van desde la producción del hidrógeno o las transformaciones de la biomasa hasta la fotocatálisis, pasando por operaciones fundamentales para conseguir una industria Química más Sostenible (Química Verde). La situación de la investigación en Química en Superficies es apasionante.

 

La aparición de nuevas técnicas de estudio, la evolución de los métodos analíticos experimentales y el apoyo de los métodos computacionales han supuesto pasar de meras especulaciones sobre la naturaleza de los centros superficiales en donde tiene lugar un proceso o reacción hasta poder hacer un diseño racional de la síntesis del material (ahora lo calificaríamos de nanomaterial) catalíticamente activo. En cuanto a los retos aplicados, quizás la reacciones catalizadas que conducen a enantiomeros tienen un atractivo especial, ya que requieren de un control a escala atómica tanto de la superficie del catalizador como de las especies intermedias que se van produciendo; es decir, de los intermedios quimisorbidos o enlazados al sitio superficial con especificidad quiral.

 

Desde el punto de vista del conocimiento profundo de las reacciones que se dan en una superficie debemos remarcar el desarrollo de las técnicas con resolución temporal en la detección de los cambios químicos, es decir las que nos permiten seguir los intermedios presentes en la superficie en tiempos del orden del microsegundo (10-6 segundos) hasta el picosegundo (10-12 segundos) dependiendo del tiempo de vida de la especie y de la reacción concreta estudiada.

 

A modo de ejemplo podemos indicar las espectroscopías de absorción de rayos X capaces de dar lugar a espectros en pocos microsegundos. También es obligado citar los estudios que se realizan usando compuestos marcados isotópicamente, en particular si se operan en los modernos reactores de análisis temporal de productos (en inglés Temporal Analysis of Products, TAP). Muchas de estas técnicas experimentales se realizan “in situ”, es decir, estudiando la química en las condiciones de la reacción que está teniendo lugar.