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La Química: Ciencia central en el siglo XXI.

La madurez de la química como ciencia moderna se alcanzó a finales del siglo XVIII gracias a los experimentos de Lavoisier (1743-1794), que demostró la naturaleza de las reacciones químicas y la conservación de la masa en las mismas. Estas investigaciones y las de otros químicos relevantes de la época condujeron al estudio de sustancias naturales (lo que era lógico teniendo en cuenta que la química es una de las 5 ciencias naturales básicas); pero, con el objeto de imitar a la naturaleza, los químicos empezaron a preguntarse si se podrían generar sustancias naturales en un tubo de ensayo y, aún más relevante, obtener sustancias no naturales que podrían mejorar las propiedades de las sustancias naturales.

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El papel de la química en el suministro de agua y alimentos

La novena conferencia del curso de divulgación Los avances de la química y su impacto en la sociedad, titulada El papel de la química en el suministro de agua y alimentos, tuvo lugar el pasado jueves 7 marzo. La conferencia fue impartida por Yolanda Pérez. En la conferencia, se explicaron numerosos avances recientes relacionados con la purificación de agua, especialmente desarrollos en nanotecnologia. También se expusieron conceptos generales de la química de los alimentos, desde la definión de alimento (al fin y al cabo, una mezcla de sustancias químicas) a la gastronomía molecular, pasndo por los aditivos alimentarios.

Una copia de la conferencia se puede descargar aquí.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

Los materiales nanoestructurados en nuestra vida diaria. Entrevista a Rosa Menéndez.

Entrevista realizada por Lorena Cabeza (DIVULGA) para Profes.net

Rosa Menéndez nació en Corollos, Asturias, en 1956. Tras graduarse en Química y doctorarse en esta misma disciplina por la Universidad de Oviedo en 1986, pudo llevar a cabo varias estancias postdoctorales en Inglaterra y Estados Unidos. En 1989 se incorpora al Instituto Nacional del Carbón del CSIC, donde actualmente lleva a cabo su trabajo como profesora de investigación. Entre los años 2003 y 2008 ha sido directora de este instituto, y entre 2008 y 2009 ostentó el cargo de vicepresidenta de Investigación Científica y Técnica del CSIC. Es autora de más de 160 artículos en revistas científicas de impacto y ha dirigido 16 tesis doctorales. Su investigación se centra en la química de los materiales y la energía, y en concreto en la mejora de los procesos de conversión del carbón y la puesta en valor de sus derivados y los del petróleo. También dirige una línea de investigación sobre la síntesis química del grafeno, un material que puede revolucionar nuestras vidas en un futuro cercano.

¿Qué trabajo lleva a cabo en el INCAR?

R.- Desde comienzos de los años 90 venimos desarrollando materiales de carbono de características muy distintas, como fibras de carbono, materiales compuestos, carbones activados y en los últimos años materiales grafénicos. Partiendo de derivados del carbón y del petróleo, preparamos precursores específicos para cada tipo de material. Y el material, a su vez, viene condicionado por la aplicación para la que está previsto. Nuestros materiales encuentran aplicación en el sector aeronáutico, con materiales compuestos; el almacenamiento de energía, con carbones activados y grafenos; la catálisis, con carbones activados y grafenos; y el medio ambiente, con carbones activados y grafenos para la eliminación de contaminantes en vertidos industriales.

¿Qué son los materiales nanoestructurados? ¿Cuál es su ventaja respecto a otros materiales convencionales?

R.- Desde que se comenzó a trabajar en nanotecnología, en la década de los 80, se han tratado de desarrollar nuevos métodos de producción de materiales constituidos por cristales de un tamaño inferior a los 100 nanómetros, los llamados materiales nanoestructurados. Cuando se reduce el tamaño de los materiales al rango nanométrico, se inducen diferencias en sus propiedades físicas. También los procesos superficiales se ven fuertemente alterados. Por ello, un control preciso de las dimensiones de los materiales en el rango de los nanómetros nos permite variar sus propiedades. Esto abre la puerta al diseño de materiales para mercados muy diversos como las aplicaciones biomédicas, ópticas, en energía, etc.

¿Están presentes los materiales nanoestructurados en nuestra vida diaria?

R.- Lo están desde hace años. Por ejemplo, los ordenadores han experimentado desde los años 90 mejoras muy importantes debido precisamente al uso de materiales nanoestructurados. Los paneles solares fabricados con nanomateriales también permiten minimizar el empleo de bloques de silicio. Otros materiales comunes que contienen nanopartículas son las cremas solares, donde se emplean para absorber la radiación UV, además de para facilitar su incorporación a la piel. También se emplean nanopartículas de plata como agentes biocidas para minimizar el riesgo de contraer infecciones. Los nanomateriales también están presentes en el deporte: bicicletas con nanotubos de carbono, raquetas de tenis reforzadas con estos nanotubos, etc. Y todavía son muchas más las aplicaciones que se esperan en los próximos años: leds fabricados a partir de puntos cuánticos mucho más baratos que los actuales, materiales capaces de introducirse en nuestro cuerpo y atacar selectivamente células cancerígenas, etc.

¿Son estos materiales seguros?

R.- La mayoría de los nanomateriales no son más peligrosos que sus equivalentes “macro”. Por ejemplo, los materiales en forma de películas delgadas que conforman las memorias de los ordenadores no son más dañinas por el hecho de ser nano. En general, debemos distinguir dos casos: uno, los nanomateriales adheridos a otros materiales, que no resultan más peligrosas que las micropartículas correspondientes (depende solo de su naturaleza: el arsénico es igual de tóxico nanoestructurado o no); y dos, nanopartículas dispersas en el aire, que pueden resultar más peligrosas al ser inhaladas.

¿Cuáles son los materiales avanzados más prometedores en los que se está investigando?

R.- El mundo de los materiales es muy amplio, pero todo lo relacionado con nanomateriales, láminas delgadas y materiales inteligentes está dentro de lo más prometedor. En concreto, existen grandes expectativas en relación con los materiales grafénicos por su gran potencial para aplicaciones que van desde el campo de las comunicaciones y microelectrónica a otros ámbitos como la química fina y la energía, en producción y almacenamiento. Se trata de un material con unas propiedades electrónicas únicas, además de una especial resistencia y flexibilidad.

¿Qué características son las que hacen del grafeno un material tan especial?

R.- El grafeno, formado por una capa de átomos de carbono, es a la vez metálico, flexible y transparente. Es resistente, sus constantes elásticas son las más altas que se han medido en un material, y admite tensiones muy elevadas sin romperse. Es además muy impermeable, ya que no permite el paso de átomos y moléculas a pesar de su pequeño espesor. Desde el punto de vista químico es un material inerte.

¿En qué aplicaciones concretas se espera que se use?

R.- El hecho de presentar unas excelentes propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y ópticas, le convierte en candidato para un gran número de aplicaciones en áreas tan diversas como la nanoelectrónica, los sensores moleculares, las telecomunicaciones, los componentes mecánicos, en forma de material compuesto, almacenamiento de energía y salud, por ejemplo, en la liberación controlada de fármacos.

¿En qué fase se encuentra la investigación sobre grafenos?

R.- La investigación sobre grafenos avanza de forma rápida, a pasos agigantados científicamente hablando. En estos momentos el objetivo es buscar procesos que permitan su obtención en grandes cantidades, de forma competitiva desde el punto de vista económico y energético, y respetando el medio ambiente. Las expectativas superan con creces a las planteadas por los fullerenos y nanotubos de carbono en su día, y parecen estar más próximas a su materialización. Tienen la ventaja de la variedad y simplicidad de los procesos y de la variedad en la calidad de los materiales, con lo que pueden ser utilizados en aplicaciones muy diversas. Para la utilización masiva de los grafenos todavía queda mucho camino por recorrer y mucha investigación por realizar.

¿Cómo se obtiene el grafeno?

R.- Se utilizan fundamentalmente dos vías para su síntesis, a partir del grafito o materiales grafíticos: mediante la separación de las láminas de grafeno individuales mecánicamente o por vía química -lo que se denomina método top-down-, y mediante síntesis química o depósito en fase de vapor a partir de moléculas más pequeñas –el método bottom-up-. La primera incluye también la obtención de grafenos mediante apertura de nanotubos. Cada una de ellas dispone de un amplio abanico de precursores y condiciones de proceso que enriquecen o dificultan, según se mire, la consecución del material final. En nuestro grupo los estamos preparando por vía química, utilizando distintos grafitos de partida y aplicando distintos procedimientos de reducción, y también por apertura de nanofibras y nanotubos, y mediante exfoliación mecánica del grafito.

Y, ¿qué hay de los fullerenos?

R.- Los fullerenos han marcado un hito desde el punto de vista científico. Se mostró al mundo una nueva forma de carbono que nadie hubiese imaginado. Supusieron un salto cualitativo en la ciencia del carbono, hasta entonces basada en las dos formas alotrópicas conocidas por todos, el grafito y el diamante. Se ha trabajado intensamente en la búsqueda de aplicaciones para este material en campos como la biomedicina o la energía, pero en mi opinión no se han consolidado y siguen siendo materia de investigación después de más de veinte años. También es relevante el que abrieran el camino al descubrimiento de los nanotubos de carbono, que sí se están produciendo a escala industrial y están ampliando considerablemente su rango de aplicaciones.

La química en la nanociencia

El futuro de la humanidad dependerá de tener instrumentos útiles en nuestro trabajo, tecnologíaa, ocio y vida cotidiana. Estos instrumentos se fabricarán con materiales adecuados. Por razones prácticas (propiedades mejoradas y modulables) y energéticas, se tenderá a minimizar el tamaño de los artilugios.

Para alcanzar estos objetivos serán fundamentales los avances científicos y tecnológicos en nanociencia, en la que la química tiene mucho que aportar en el diseño, preparación y caracterización de nanomateriales.

La nanociencia y sus aplicaciónes (nanotecnología) es un áreas de la ciencia de los materiales que aborda el estudio de objetos (una nanopartícula, NP) en escala nanométrica (orden de escala de centenares de nanometros, nm, 1 nm = 10-9). Ya existen numerosas aplicaciones industriales de los nanomateriales, con más de  1000 productos en el mercado que contienen nanopartículas (NPs), desde productos de cosmética a material deportivo. Esta es un área de negocio con un desarrollo muy amplio y unas excelentes perspectivas de futuro.

Actualmente existen muchos materiales nanoparticulados, especialmente derivados de metales de transición, como el oro, los óxidos de hierro, el dióxido de titano, el óxido de zinc o el paladio, que se están aplicando en diversas investigaciones en fase académica, tales como la catálisis, transferencia energética, materiales magnéticos, etc. Otras aplicaciones prácticas de la nanotecnología serán en el desarrollo de equipos  pequeños para monitorización (ambiental, salud, etc.) o en la fabricación de nanocápsulas para transporte de fármacos. Se podrán liberar fármacos en los órganos adecuados del paciente sin afectar a otras partes del cuerpo. Las nanocápsulas podrán dirigirse al sitio adecuado, por ejemplo usando materiales magnéticos.

Uno de los objetivos de la nanociencia es obtener NPs  con estructuras determinadas (a medida) que se puedan correlacionar con las propiedades, lo que es importante para el diseño de nanomateriales con propiedades definidas (“materiales a medida”, “tailored’). Para alcanzar este objetivo se ha intentando combinar las propiedades de NPs de diversos tipos. Se ha empleado la mezcla física de las mismas, pero el resultado no ha sido satisfactorio. Se piensa que la combinación química de NPs puede ser un método más adecuado, pues permitiría combinar diferentes NPs a voluntad, con propiedades mejoradas (efecto sinérgico), con mayor control de la estructura del material, y mayor estabilidad.

En el último número de ACS Nano (2012, volumen 6, número 1) se publica un articulo (Hamers y col, ACS Nano 2012, 6, 310-318) en el que se ha diseñado una estrategia para la obtención de NPs híbridas formadas por la combinación de óxidos de wolframio (WO3) y titanio (TiO2) a través de reacciones de [3+2] de alquinos con azidas (reacción de Huisgen) que ha sido convenientemente actualizada por Sharpless (Premio Nobel de Química en 2001 por el desarrollo de métodos de síntesis asimétrica a través de reacciones de oxidación) como uno de los métodos preferido para realizar la click chemistry; y que ha sido ampliamente usada en múltiples aplicaciones, desde la biomedicina a la ciencia de los materiales.

En esta investigación, los óxidos nanoparticulados (WO3 y TiO2)  son modificados con ligandos orgánicos con funcionalidad azida y alquino, respectivamente y se hacen reaccionar por el método desarrollado por Sharpless.

(De Hamers y col, ACS Nano 2012, 6, 310-318)

Los óxidos metálicos nanoparticulados, como el WO3 y el TiO2, son capaces de facilitar la separación y transferencia de carga promovidas por radiación lumínica. Esta propiedad hace que estos materiales sean muy atractivos para producir células fotovoltaicas, adecuados para fabricar paneles solares. Otra aplicación de estos nanomateriales es en fotocatálisis, es decir la aceleración de reacciones químicas por la radiación luminosa.

La posibilidad de mezclar varios tipos de óxidos metálicos nanoparticulados puede proporcionar mejores materiales para lograr estos objetivos. El trabajo descrito en ACS Nano describe la síntesis y caracterización de estos materiales y comprueban mejoras en las propiedades de los materiales híbridos en comparación con las NPs individuales, entre ellas, una eficaz transferencia de carga promovida por la luz y eficiente degradación fotoquímica del colorante azul de metileno.

Aunque las aplicaciones prácticas de esta investigación son evidentes, no hay que olvidar que es aún investigación básica; se están poniendo los cimientos para que en poco tiempo se puedan realizar aplicaciones tecnológicas. Otro aspecto importante de esta investigación es que se han desarrollado materiales con los que se pueden estudiar procesos básicos en ciencias físicas y químicas, como son entender procesos de transferencia electrónica e interacción de la luz con la materia.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

Conferencias sobre química

Las copias de las conferencias que impartí en la universidad de Granada, entre el 12 y el 15 de diciembre de 2011 se pueden descargar en los siguientes enlaces (y en el lateral de esta página en la categoría “Conferencias”)

Los avances de la química y su impacto en la sociedad: Una visión general. Enlace.

¿Lo común de cada día?: ¡La química! Enlace.

¿Natural, sintético? ¡Todo es química! Enlace.

El futuro: una visión desde la química. Enlace.

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Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

La química de la bioquímica

El dossier científco de la última edición de la revista de la Sociedad Española de Bioquímica y Biología Molecular trata sobre las relaciones entre la química y la biología. El dossier científico, que he tenido el placer de editar, consta de una introducción (escrita por mí) y cuatro artículos excelentes escritos por José María Valpuesta (aspectos históricos), Enrique Mann (la química como herramienta en biomedicina), María Vallet (biomateriales) y Sonsoles Martín-Santamaría (la nueva disciplina emergente de la química biológica, Chemical Biology). Ha sido una buena oportunidad para destacar el papel de la química en el desarrollo de la biolquímica y áreas relaciondas; así como la sinergia entre la química y las ciencias de la vida en este Año Internacional de la Química.

Los artículos completos se pueden descargar en PDF. A continuación se muestran los resúmenes.

 

Bernardo Herradón-García

CSIC

herradon@iqog.csic.es

 

Curso de introducción a la nanotecnología

El Colegio Oficial de Físicos, la Universidad Pontificia de Comillas y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC están organizando  un curso de Nanotecnología dirigido fundamentalmente a la comunidad educativa.

Toda la información se encuentra disponible en http://www.cofis.es/ofertaformativa/cofisorganiza.html#nano. El programa se puede descargar aquí.

Dicho curso tiene como finalidad acercar, a través del profesorado y utilizando las materias convencionales de perfil científico, la nanotecnología a las aulas. De esta manera se intenta que los estudiantes, como futuros ciudadanos o quizás como futuros científicos, estén al tanto de los avances en una de las ramas científico-técnicas que más van a incidir en el futuro desarrollo de nuestra sociedad.

Remitido por:
Pedro Serena
Coordinador del Curso “Introducción a la Nanotecnología: Actualidad y Perspectivas”
pedro.serena@icmm.csic.es

Curso de Nanotecnología

El Colegio Oficial de Físicos, la Universidad Pontificia de Comillas y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC están organizando  un curso de Nanotecnología dirigido fundamentalmente a la comunidad educativa.

Toda la información se encuentra disponible en http://www.cofis.es/ofertaformativa/cofisorganiza.html#nano. El programa se puede descargar aquí.

Dicho curso tiene como finalidad acercar, a través del profesorado y utilizando las materias convencionales de perfil científico, la nanotecnología a las aulas. De esta manera se intenta que los estudiantes, como futuros ciudadanos o quizás como futuros científicos, estén al tanto de los avances en una de las ramas científico-técnicas que más van a incidir en el futuro desarrollo de nuestra sociedad.

Remitido por:
Pedro Serena
Coordinador del Curso “Introducción a la Nanotecnología: Actualidad y Perspectivas”
pedro.serena@icmm.csic.es

XXXIII Reunión Bienal de Química. Segundo día.

El segundo día de la XXXIII Reunión Bienal de Química también tuvo un programa intenso con dos conferencias plenarias, sesión de póster y cinco sesiones paralelas. Como no se puede ir a todo, asistí a las dos conferencias plenarias, a otra invitada, a dos comunicaciones seleccionadas y a dos sesiones de comunicaciones flash. Escuché mucha y buena químca (en algunos casos frontera con la física, la ciencia de los materiales y la ingeniería) sobre superconductores, mecanismos de reacciones orgánicas, efecto invernadero, polímeros quirales y células solares.

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