Estimad@s Clientes y/o amantes del LEAN:
La Química vive una edad de oro
Gracias a los descubrimientos de la química reticular,
podemos ya tener en el punto de mira experimental la posibilidad de obtener
agua del aire de los desiertos
Todo está basado en los MOF ( Metal Organics Frameworks ),
estructuras hechas de moléculas de carbono y metales que, diseñadas ad-hoc,
tienen propiedades inimaginables hasta ahora, por ejemplo atrapar el agua de la
humedad del ambiente que hay, incluso, en los desiertos
Un MOF es un módulo que contiene unidades metálicas y
unidades orgánicas (hechas de cadenas de carbono), que se une a otros módulos
para constituir un entramado. Este entramado constituye un espacio
donde podemos atrapar otras moléculas o donde podemos colocar átomos
que faciliten reacciones químicas, incluso en el orden que nosotros queramos.
Cambiando la parte metálica podemos crear un número infinito de variaciones.
Los MOF de captación de agua en el desierto la atrapan
durante la noche. Al día siguiente, y después de cerrar la caja, el sol
calienta la caja y hace que el agua salga del MOF y se adhiera a las paredes
del recipiente, de forma que se puede recoger y beber
Ahí van los links que más me han gustado sobre este tema tan
revolucionario:
Next Generation
Technology
Right at
the Cutting Edge
MOF
Technologies has developed an innovative patent protected mechanochemical
manufacturing process that allows the accelerated synthesis of MOFs using
little or no solvents. The company currently holds granted patents covering
this process, including EP1928831 (B1) and US8466285 (B2).
Additional
IP has been developed around the optimisation of MOF production and its post
processing.
Mechanochemistry
represents a paradigm shift in chemical manufacture: instead of the energy
required to initiate a chemical reaction coming from a hot solvent, it is
provided by mechanical energy. The MOF material is continuously produced in a
powder form either ready for applications without further treatment, or to be
formed into shaped material. The company’s technology will provide two key
benefits to the consumer: Reduced costs and Almost no environmental impact from
the manufacturing process. This will enable MOFs to be employed in large-scale
applications such as carbon capture, fuel storage for natural gas vehicles
(NGVs), gas storage and filtration, and heat transformations. All applications
which will deliver huge benefits to the environment and the consumer.
An
Industrial Revolution
MOFs are
crystalline, sponge-like materials that have broad industrial applications
because of two key attributes:
- Extremely large surface
area
- Varied and flexible
structure
More Capacity. Less Volume.
MOFs have
the highest surface-area of any known material, with one gram of MOF, about the
size of a pea, possibly having the same surface area as forty tennis courts.
This means that MOFs’ structure and adsorbent characteristics make them
excellent for storing a range of gases such as methane, in a significantly
reduced volume
Natural Selection
MOfs can
also be used to filter and separate gases and can be designed to capture
selected elements, while letting others pass through. MOFs have very low bulk
volumes which makes them extremely light.
Omar Yaghi: «Podemos conseguir miles y miles de litros
de agua del aire del desierto»
Omar Yaghi (nacido el 9 de febrero de 1965 en Amán,
Jordania) es una persona que transmite calma con su mirada atenta y su voz
tranquila. Este químico de la Universidad de California en Berkeley, hijo de
una familia de refugiados jordanos, es un pionero en el campo de la química
reticular, una disciplina que se encarga, curiosamente, de diseñar moléculas
estables y exquisitamente organizadas, quizás incluso hermosas.
De hecho, el propio Yaghi reconoce que fue la belleza de las
moléculas, y la necesidad de comprender el orden que esconden, lo que le hizo
interesarse por la química. Gracias a eso se ha convertido en un creador de
moléculas capaces de absorber dióxido de carbono en chimeneas, de obtener
agua del aire en los desiertos o aumentar la capacidad de los
depósitos de combustible de coches de gas natural. La clave está en los MOFs
(«Metal-organic frameworks»), entramados de moléculas de carbono y de
metales que se diseñan a medida, como si fueran un Lego, para
múltiples funciones. Los trabjos de Omar Yaghi le han hecho merecedor del
premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias
Básicas, que vino a recoger a Madrid recientemente.
En primer lugar me gustaría preguntarle por qué decidió
estudiar química.
(Sonríe) Yo era un joven muy tímido y recuerdo que en los
recreos no jugaba con los otros niños. En vez de eso me sentaba y observaba
todo. Un día, cuando estaba en tercer grado y tenía unos 11 años, intenté
entrar en la biblioteca. Normalmente la puerta estaba cerrada con llave, para
que los niños no entraran y lo destruyeran todo. Pero aquel día la encontré
abierta, y pude entrar. Allí me encontré con un libro lleno de esquemas
y dibujos. No sabía qué eran, pero me di cuenta de que eran muy especiales.
Años más tarde, cuando empecé a estudiar ciencias, descubrí que esos dibujos
eran esquemas de moléculas. Y fue cuando me enamoré de la química. Yo era un
crío que no jugaba con las manos, que no tocaba nada, que no desmontaba una
radio, pero siempre estuve muy interesado en saber qué había detrás de la
construcción de nuestros objetos cotidianos.
Y en la universidad, cuando estudiaba química orgánica,
aprendimos a cristalizar moléculas. Esto ahondó aún más mi amor por la química.
Pero digamos que mi interés era puramente estético: me atraía la
belleza de los cristales y de las moléculas.
Ahora mismo, ¿qué objetivos tiene? ¿Qué problemas le
gustaría resolver con su química?
Hemos contribuido a inventar un mundo de nuevos materiales:
los «metal-organic frameworks» o MOFs (algo así como entramados
metal-orgánicos). Tienen capacidades ilimitadas. Son materiales y estructuras
químicas que diseñamos para que sean muy estables y duraderos y para usarlos en
muchas aplicaciones: como absorber dióxido de carbono o para atrapar el agua de
la humedad del ambiente, por ejemplo en el desierto.
Es un área de investigación mundial, con cientos de
aplicaciones industriales potenciales, en ámbitos como el medio ambiente,
la catálisis, la captación de agua de la atmósfera, la administración de
fármacos o incluso en aplicaciones electrónicas. Fácilmente ya puede haber
70.000 de estos MOFs.
Así que, respondiendo a su pregunta, mi objetivo es doble:
Por una parte fortalecer el progreso en ciencia básica de MOFs. Y, por otra,
potenciar los sectores y las actividades en torno a su aplicación.
Entre todas estas aplicaciones posibles de los MOFs,
¿cuál es la que le interesa más?
La aplicación de captar agua de la atmósfera en los
desiertos, para poder emplearla en casa o en la agricultura, es la que más me
inspira y emociona. El agua es vida, y un tercio de la población mundial sufre
la escasez de agua. Y nunca se ha logrado algo así antes, no hay precedentes.
Creo que esta es la gran virtud de estos materiales.
¿Cómo definiría usted un MOF?
Es un módulo que contiene unidades metálicas y unidades
orgánicas (hechas de cadenas de carbono), que se une a otros módulos para
constituir un entramado. Este entramado constituye un espacio donde
podemos atrapar otras moléculas o donde podemos colocar átomos que
faciliten reacciones químicas, incluso en el orden que nosotros queramos.
Cambiando la parte metálica podemos crear un número infinito de variaciones.
Esta idea de usar piezas moleculares me hace pensar en un
Mecano...
Sí, nosotros hablamos de un Lego químico. De
pequeño, no tenía Legos con los que jugar, porque vengo de una casa humilde,
pero puedo decir que ahora hacemos química Lego. Es decir, organizamos
los átomos y las moléculas y los unimos, con enlaces muy fuertes, para
formar estructuras extendidas y muy estables. Es lo que se conoce como química
reticular. Y lo cierto es que es una nueva forma de hacer materiales.
Una de sus ventajas es que tienen mucha superficie
interna y pueden atrapar muchas moléculas, ¿no?
Sí. Ahora hay un material, basado en métodos que diseñamos
hace tiempo, que tiene una superficie de 7.500 metros cuadrados por
gramo de MOF –gracias a esto, un cubo de ciertos MOFs de apenas el
tamaño de un terrón de azúcar puede tener una superficie interna comparable a
seis campos de fútbol–. Nosotros empezamos por un material que tenía 2.500
metros cuadrados, y el récord ha ido aumentando poco a poco. Creemos que el límite
está supuestamente en los 16.000 metros cuadrados por gramo.
¿Hay muchos científicos trabajando en esto?
Diría que hay más de mil investigadores en todo el mundo
trabajando en química reticular. Y en todas partes, incluso en países en vías
de desarrollo. Como he dicho, ya hay al menos 70.000 MOFs creados. Y va a haber
muchísimos más, porque las posibilidades son infinitas y se pueden usar para
resolver muchos problemas.
¿Cuánto tiempo tendremos que esperar hasta poder ver las
primeras aplicaciones?
Ya hay aplicaciones comercializadas. Una está en una empresa
de Chicago y tiene que ver con la absorción de gases tóxicos en una fábrica. La
otra se emplea para almacenar gas y liberarlo lentamente y conservar la fruta y
la verdura. Poco a poco habrá más.
¿Y qué hay de la aplicación de los MOFs para capturar
CO2?
Esta aplicación ya funciona en el laboratorio. Pero todavía
no estamos preparados para sacarla a mercado y poder atrapar CO2. Nuestro
objetivo es atrapar este gas antes de que se libere a la atmósfera, en las
chimeneas centrales eléctricas, aunque también se puede capturar en la
atmósfera.
¿Y qué harían después de capturarlo?
Hemos estado trabajando mucho no solamente en atrapar y
capturar el CO2 sino también en poder convertirlo en un combustible, como el
metanol. Otra cosa en la que estamos trabajando activamente es en producir
monóxido de carbono (CO) a partir de CO2, porque resulta muy interesante para
fabricar muchos productos químicos. Otras opciones que se barajan es bombearlo
bajo tierra, pero nosotros queremos transformar el CO2 en un producto de alto
valor.
¿También están trabajando en un MOF para coches de gas
natural, no?
Hay un MOF muy próximo a su uso comercial en los automóviles
que funcionan con gas natural. Recuerde que estos coches son mucho más limpios
que los que funcionan con gasóleo o gasolina. Y gracias al MOF, podemos
almacenar tres veces más gas natural en un tanque –esto ocurre porque
la estructura del MOF ayuda a estabilizar y organizar el gas–.
Omar Yaghi, en la sede de la Fundación BBVA, donde obtuvo el
premio Fronteras del Conocimiento - JOSÉ RAMÓN LADRA
Además, hemos comprobado que solo se pierde un diez por
ciento de capacidad al usar estos tanques de gas natural. Así que si nos
deshacemos del coche porque está viejo, podemos retirar el tanque y volver a
usarlo en otro coche. Esta es la grandeza de poder controlar la materia
a nivel atómico –se pueden crear estructuras muy estables y
duraderas–.
¿Estos depósitos de gas natural son caros?
No lo son, porque si no BASF no habría llegado al nivel de desarrollo en el
que están. El precio del MOF suele corresponderse con el precio del metal, así
que algunos MOFs van a ser muy baratos. Si hablamos por ejemplo de la
aplicación de capturar agua, resulta que nos sirven MOFs de aluminio, que es
muy barato. Piense que las latas de refresco están hechas de este material...
¿Cuánta agua pueden captar en el desierto los MOFs?
Por cada mil mililitros de MOF se pueden extraer 200
mililitros de agua, por cada ciclo completo de captación y liberación de
agua, que dura un día. –Los investigadores han creado «cosechadoras»
de agua para el desierto. Estas son básicamente sencillas cajas que
contienen un MOF que capta agua de la atmósfera durante la noche, incluso en un
desierto. Al día siguiente, y después de cerrar la caja, el sol calienta la
caja y hace que el agua salga del MOF y se adhiera a las paredes del
recipiente, de forma que se puede recoger y beber–.
«Por cada mil mililitros de MOF se pueden extraer 200
mililitros de agua»
Podemos acelerar el proceso y aumentar el número de ciclos
cada día, si colocamos un ventilador, alimentado con paneles solares o con
baterías, en los dispositivos. Esta tecnología tiene un gran potencial. Podemos
conseguir miles de litros así.
¿Y se está haciendo trabajo de campo con esta tecnología?
Sí, ya
se ha probado en el desierto. Lo hemos testado en el laboratorio
y en el desierto de Arizona y funciona perfectamente. Hemos
aprendido mucho, desde el punto de vista teórico y práctico, sobre cómo obtener
agua en el desierto. El siguiente paso es comercializar los prototipos. Además,
aunque en este caso hemos usado un MOF de zirconio, vamos a usar un MOF de
alumnio, que es 150 veces más barato. Así que creo que el coste no será un
problema. ¡Es increíble lo que vamos a poder lograr!
Pensando en el futuro, ¿cuáles son sus esperanzas de
poder ayudar a evitar el cambio climático o de luchar contra la escasez de
agua?
Ya lo estamos haciendo, ya hemos resuelto el reto científico
y la recaptación de carbono es una realidad. Además, ya podemos obtener agua
líquida del aire del desierto. ¡Ya estamos en el futuro! Ese
es el poder de esta química, en la que hemos conseguido controlar la materia a
nivel atómico. Es un grandísimo avance para nosotros en relación con como
estábamos hace 20 años.
«En el futuro vamos a poder hacer fibras para la ropa en
la que las fibras se adapten al entorno»
Creo que en el futuro vamos a poder hacer fibras
para la ropa en la que las fibras se adapten al entorno. También estoy muy
ilusionado porque podemos funcionalizar los poros y crear secuencias de
información con propiedades muy específicas, por ejemplo para crear un ADN
sintético. Y todo esto va a cambiar la manera en la que pensamos. Podremos
crear materiales con secuencias concretas para aplicaciones y funciones
especificas.
¿Quizás hace 20 años los químicos trabajaban como
artesanos y ahora trabajan más bien como ingenieros?
El avance de la ciencia siempre ha dependido de entender
cómo funciona la naturaleza y de controlar su funcionamiento. Ahora se está
haciendo con átomos, enlaces y moléculas. La química reticular nos ha permitido
tener ese control sobre los materiales, y esto es algo sin precedentes. Podemos
decir que las posibilidades son ilimitadas.
«Debemos dejar que la naturaleza nos sorprenda y nos siga
enseñando»
Podemos diseñar lo que necesitemos. Sin embargo, debemos
dejar que la naturaleza nos sorprenda y nos siga enseñando, si queremos
hacer descubrimientos que ni siquiera podríamos haber concebido. De hecho,
parte de mi grupo de trabajo está investigando en descubrimientos donde no hay
un camino preestablecido y no sabemos lo que estamos buscando. Fue así como
surgió la química reticular.
¿Buscan la inspiración en la naturaleza?
Cuando yo estudiaba, mezclábamos una cosa con otra y
tratábamos de entender qué nos daba la naturaleza. Creo que es muy importante
permitir que la naturaleza se manifieste. Y ahora, estoy más convencido de
que si podemos contolar la materia a nivel atómico y molecular podemos
abordar problemas de gran magnitud.
Pero cuando empecé a investigar mi objetivo no era resolver
los problemas del mundo sino trabajar con estas moléculas maravillosas y esta
«química Lego». También quería añadir racionalidad para poder controlar los
objetos que nos rodean de manera que nos ofrezcan más beneficios.
¿Qué cambios han ocurrido en la ciencia para que ahora
sea posible controlar la materia a nivel molecular?
En realidad, somos nosotros los que hemos tenido que
cambiar, no la ciencia. El reto de construir materiales a través de bloques
tenía siglos. Estaba ahí, pero nadie lo estaba intentando por miedo al fracaso.
Pero pensamos que podíamos ir más allá y hacer que funcionara. Nuestra
persistencia e insistencia nos llevó a romper el dogma de que no se podía
lograr y de ir más allá de las fronteras. Esto es lo que intento transmitirlea
los estudiantes todos los días: la necesidad de empujar las fronteras de la
ciencia.
Desués, es cierto que desarrollamos nuevas herramientas
científicas y computacionales. Pero digamos que el cambio inicial fue nuestra
voluntad de empujar las fronteras. Como ocurre con cualquier descubrimiento
científico.
¿Animaría a otros estudiantes a seguir este ejemplo?
Claro. Pero el problema es que los jóvenes son personas que
están formadas para optimizar el éxito, para seguir un esquema. Es por eso que
están malgastando mucho tiempo. Debemos enseñarles a desviarse de los esquemas
prefijados, a tener éxito desviándose y ser capaces de alcanzar descubrimientos
completamente diferentes, capaces de cambiar a la humanidad, de transformar
nuestro modo de pensar o nuestra forma de cambiar nuestro medio ambiente.
Por desgracia, todo está diseñado para que sigamos un camino
y que adoptemos unas estrategias encaminadas al éxito y a conseguir
reconocimiento. Nosotros, sin embargo, lo que buscamos es impacto. Queremos
salirnos del camino establecido y lograr cosas que cambien nuestra forma de
pensar. Creo que esta es una forma muy poderosa de hacer investigacion, y así
es como intento formar a mis estudiantes.
Parece tener una visión optimista...
Claro, me pagan para ser optimista. Pero no soy idiota. Sé
cuales son los retos que tenemos que afrontar. Pero, ¿por qué centrarnos tanto
en los retos con la cantidad de oportunidades que tenemos?
Soy optimista porque cuando ponemos nuestra atención en
algo, logramos hacer grandes cosas. El problema es que nos centramos
demasiado en cosas superficiales que no tienen que ver nada con nuestros
valores centrales.
«Medios y redes nos bombardean con una basura que nos
distancia de los problemas reales»
Las redes sociales y los medios de comunicación tienen
responsabilidad en esto. Nos bombardean con una basura que nos
distancia de los problemas reales. Nos dificultan poder entender la
naturaleza y de comprender lo que no está diciendo. Vivimos a la velocidad de
la luz, cualquier persona tiene acceso a una comunicación instantánea en su
teléfono, pero no teneos contacto con cosas esenciales de la realidad. Es un
infierno. No tenemos tiempo para reflexionar ni pensar.
¿Quizás es la curiosidad uno de estos valores centrales?
Sí. Pero debe ser cultivada y alimentada. Debemos comprender
que es necesario invertir en nuestro futuro. Hay fuerzas
empujándonos en todas direcciones. Pero necesitamos tener una comprensión de
cómo está progresando nuestra civilización. Necesitamos mover las fronteras del
conocimiento, no solo recopilar información a la velocidad de la luz.
Y no creo que esto sea un proceso automático. Debe ser
alimentado, vigilado y cultivado entre los jóvenes. Necesitamos que los
gobiernos y la sociedad comprendan que esto es una inversión en el futuro.
Sobre todo si hay un descenso en el interés de la ciencia o en las vocaciones
científicas. Creo que esto es un mal presagio de un futuro poco prometedor.
Muchas personas suelen criticar la ciencia que no busca
aplicaciones inmediatas. ¿Qué opina?
Bien, se trata de ciencia básica, no de ingeniería. Las
aplicaciones eliminan la creatividad. Por ejemplo, si nosotros no hubiéramos
sido creativos y no nos hubiéramos desviado del camino establecido, no
habríamos creado los MOFs. Solo si estamos abiertos a nuestro mundo
podemos hacer observaciones y descubrir cosas nuevas. Pero esto no ocurre
si tienes un objetivo que perseguir.
Los científicos necesitamos ser conscientes de esto y además
establecer un puente entre lo que hacemos y lo que la sociedad necesita. Pero
el negocio de hacer descubrimientos implica fracasar una y otra vez.
«Solo si estamos abiertos a nuestro mundo podemos hacer
observaciones y descubrir cosas nuevas»
Día a día, mis estudiantes me inspiran, porque son jóvenes
que siguen este camino de errores para hacer descubrimientos, aunque vayan a
tener que invertir muchos años. Por eso soy muy optimista. Si mis estudiantes
quisieran ser políticos o arquitectos de las redes sociales, sería mucho más
pesimista.
Introduction
to Metal–Organic Frameworks
The
Chemistry and Applications of Metal-Organic Frameworks
Structured
Abstract
Background
Metal-organic
frameworks (MOFs) are made by linking inorganic and organic units by strong
bonds (reticular synthesis). The flexibility with which the constituents’
geometry, size, and functionality can be varied has led to more than 20,000
different MOFs being reported and studied within the past decade. The organic
units are ditopic or polytopic organic carboxylates (and other similar
negatively charged molecules), which, when linked to metal-containing units,
yield architecturally robust crystalline MOF structures with a typical porosity
of greater than 50% of the MOF crystal volume. The surface area values of such
MOFs typically range from 1000 to 10,000 m2/g, thus exceeding those
of traditional porous materials such as zeolites and carbons. To date, MOFs
with permanent porosity are more extensive in their variety and multiplicity
than any other class of porous materials. These aspects have made MOFs ideal
candidates for storage of fuels (hydrogen and methane), capture of carbon
dioxide, and catalysis applications, to mention a few.
Metal-organic
framework (MOF) structures are amenable to expansion and incorporation of
multiple functional groups within their interiors. (A) The isoreticular expansion of
MOFs maintains the network’s topology by using an expanded version of the
parent organic linker. Examples of catalysis in MOFs are shown in the large
space created by IRMOF-74-XI; Me is a methyl group. (B) Conceptual
illustration of a multivariate MOF (MTV-MOF) whose pores are decorated by
heterogeneous mixtures of functionalities that arrange in specific sequences. (Background)
Optical image of zeolitic imidazolate framework (ZIF) crystals.
Advances
The ability
to vary the size and nature of MOF structures without changing their underlying
topology gave rise to the isoreticular principle and its application in making
MOFs with the largest pore aperture (98 Å) and lowest density (0.13 g/cm3).
This has allowed for the selective inclusion of large molecules (e.g., vitamin
B12) and proteins (e.g., green fluorescent protein) and the
exploitation of the pores as reaction vessels. Along these lines, the thermal
and chemical stability of many MOFs has made them amenable to postsynthetic
covalent organic and metal-complex functionalization. These capabilities enable
substantial enhancement of gas storage in MOFs and have led to their extensive
study in the catalysis of organic reactions, activation of small molecules
(hydrogen, methane, and water), gas separation, biomedical imaging, and proton,
electron, and ion conduction. At present, methods are being developed for
making nanocrystals and supercrystals of MOFs for their incorporation into
devices.
Outlook
The precise
control over the assembly of MOFs is expected to propel this field further into
new realms of synthetic chemistry in which far more sophisticated materials may
be accessed. For example, materials can be envisaged as having (i) compartments
linked together to operate separately, yet function synergistically; (ii)
dexterity to carry out parallel operations; (iii) ability to count, sort, and
code information; and (iv) capability of dynamics with high fidelity. Efforts
in this direction are already being undertaken through the introduction of a
large number of different functional groups within the pores of MOFs. This
yields multivariate frameworks in which the varying arrangement of
functionalities gives rise to materials that offer a synergistic combination of
properties. Future work will involve the assembly of chemical structures from
many different types of building unit, such that the structures’ function is
dictated by the heterogeneity of the specific arrangement of their
constituents.
Strategies
for Metal-Organic Frameworks
Metal-organic
frameworks are porous materials that can exhibit very high surface areas that
have potential for applications such as gas storage and separation, as well as
catalysis. Furukawa et al. (1230444)
review the structures devised so far and discuss the design strategies that
allow families of materials to be synthesized and modified with similar
framework topology but vary in pore size and type of functional groups present
on the linkers.
Abstract
Crystalline
metal-organic frameworks (MOFs) are formed by reticular synthesis, which
creates strong bonds between inorganic and organic units. Careful selection of
MOF constituents can yield crystals of ultrahigh porosity and high thermal and
chemical stability. These characteristics allow the interior of MOFs to be
chemically altered for use in gas separation, gas storage, and catalysis, among
other applications. The precision commonly exercised in their chemical
modification and the ability to expand their metrics without changing the
underlying topology have not been achieved with other solids. MOFs whose
chemical composition and shape of building units can be multiply varied within
a particular structure already exist and may lead to materials that offer a
synergistic combination of properties.
Que disfrutéis cada hora del fin de semana
Un cordial saludo
Álvaro Ballesteros
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