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La química reticular permite obtener agua potable del aire, o captar CO2 de la atmósfera para lucha contra el cambio climático
Durante siglos, los alquimistas medievales trataron de obtener la piedra filosofal, una legendaria sustancia capaz de convertir el plomo en oro o de lograr la vida eterna. Ahora imaginen una sustancia química capaz de luchar contra algunos de los grandes problemas de la humanidad en el s. XXI, tales como el cambio climático, la escasez de agua o la obtención de combustibles ilimitados, limpios y seguros. Esas modernas piedras filosofales ya existen gracias a la magia de la llamada Química Reticular. Tienen como nombre acrónimos como MOF (metal organic frameworks) y COF (covalent organic frameworks), y su principal creador -el químico jordanoestadounidense Omar Yaghi, de la Universidad de Berkeley (California)- ha recibido el premio Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas de la Fundación BBVA.
Los materiales reticulares MOF (que combinan compuestos orgánicos e inorgánicos, óxidos de metal) y COF (solo orgánicos) vienen a ser esponjas moleculares; sustancias muy porosas, en las que los átomos se disponen en extensas estructuras cristalinas mediante enlaces covalentes muy fuertes, formando celdas muy ordenadas y estables, y que dejan huecos de tamaños controlables que pueden adsorber -es decir, alojar, capturar- moléculas específicas.
Las aplicaciones prácticas de estos compuestos microporosos son prodigiosas, y tienen un potencial catalizador aún por explorar. Solo la mención de (por el momento) las tres utilidades más importantes da idea de su enorme impacto: pueden captar la humedad del aire, generando agua potable incluso de ambientes desérticos; pueden adsorver el CO2 de la atmósfera, ayudando a capturar gases de efecto invernadero y contribuyendo a controlar la polución y el calentamiento global; y pueden almacenar -y luego liberar- el hidrógeno (H2), permitiendo el funcionamiento seguro de motores de hidrógeno cuyos tubos de escape generen inofensivo vapor de agua.
Si por separado cada uno de estos avances tecnológicos son una bendición para la humanidad, un un horizonte de posibilidades para resolver gravísimos problemas -y un billete para el Nobel de Química-, la química reticular abre la puerta a resolver los tres, y en un futuro muy cercano. Son apenas tres aplicaciones de un campo que está dando sus primeros pasos (la gran mayoría de estudios apenas tienen diez años).«Las aplicaciones de estas esponjas moleculares son prodigiosas»
Omar Yaghi, padre de la Química Reticular desde los años 90, ha desarrollado ya 60.000 variedades de COF y MOF con diferentes aplicaciones. Lo revolucionario de sus investigaciones no solo está en sus resultados, sino en haber desarrollado unos métodos de síntesis de estos cristales microporosos que hacen que se pueda controlar el tamaño de los poros a la medida de las moléculas que se desee adsorber. Los materiales reticulares son enormemente versátiles en cuanto a sus propiedades, lo que permite a los investigadores modificar su estructura cristalina y química para optimizar la cantidad que pueden adsorber por cada gramo de material, o para afinar sus propiedades catalíticas. Yaghi ha ideado una herramienta química de inmensas posibilidades.
Agua pura del aire seco
Los materiales reticulares permiten obtener agua potable, incluso del aire del desierto. La red cristalina actúa como una esponja para las moléculas de H2O que hay incluso en los ambientes más secos. Apenas un kilogramo de polvos de MOF puede llegar a adsorber en sus poros nanoscópicos hasta tres litros de agua en doce horas de una atmósfera que contenga incluso un exiguo 5% de humedad. Todo ello sin máquinas ni energía eléctrica. Por la noche, los polvos atrapan el agua, y por el día, la luz solar hace que el agua se condense y se libere, completamente pura.
Para explicar el beneficio que un material así puede significar para amplias zonas del planeta, baste decir que, según la OMS y Unicef, en el mundo hay 2.100 millones de personas -tres de cada diez habitantes del planeta- que carecen de acceso a agua potable, y que la contaminación de las aguas puede hacer que en 2050 solo dispongamos de un tercio del agua limpia que tenemos hoy. Las esponjas reticulares sirven tanto para condensar agua del aire seco, como para separar las moléculas de agua del resto de los contaminantes, sean bacterias, virus o incluso átomos de metal pesado.
Auxilio contra el cambio climático
No nos engañemos; la reducción drástica de las emisiones, y en última instancia el abandono de la economía del carbono es la primera y fundamental estrategia de lucha contra el calentamiento global. Pero los materiales reticulares pueden ayudar, y muchísimo, a retirar de la atmósfera (o a impedir que lleguen a ella) y de las aguas del océano gases de efecto invernadero como el CO2, o incluso el metano.
“Todos los experimentos que hemos realizado en nuestro laboratorio han demostrado que el uso de MOF para la captura de CO2 es viable, aunque no me atrevo a predecir el tiempo que tardaremos todavía en poder aplicarlo en la industria”, dice Yaghi. Evidentemente los MOF no destruyen el CO2, únicamente lo almacenan, pero ocupan muy poco volumen. Luego ese CO2 puede ser utilizado en procesos industriales o ser fijado gracias a seres vivos fotosintéticos.
El material deseado para la economía del hidrógeno
Quizá el uso menos evidente de los compuestos reticulares sea el de ser un almacén ideal para el hidrógeno. La economía del hidrógeno es un modelo energético limpio, renovable y alternativo al uso de los combustibles fósiles -la economía del carbono- que usa como combustible el hidrógeno molecular (H2). Para obtener este combustible basta con aplicar electricidad -generada de fuentes limpias- en el agua (H2O), separándola por hidrólisis en H2 y O2. El H2 se quema en un motor -por ejemplo en un vehículo o en un generador doméstico- con el O2 del aire, produciendo energía y como residuo inocuo vapor de agua.
El problema del dihidrógeno es que es extremadamente inflamable y explosivo. Pero si las moléculas de H2 están adsorbidas en las retículas de los MOF, su almacenamiento en gran cantidades puede ser seguro y su liberación controlada.
Al alojar las moléculas de hidrógeno en los poros del material se mete más gas en menos volumen: por paradójico que parezca, cabe mucho más hidrógeno en un tanque lleno de MOF que en uno vacío. Según Yaghi, aunque la técnica está aún en fase preliminar de investigación, tiene un enorme potencial en el desarrollo de futuros combustibles limpios -y completamente inagotables- para vehículos basados en el hidrógeno.