quimica interfacial - Academia Nacional de Ciencias Exactas

LA QUIMICA Y LAS SUPERFICIES: QUIMICA INTERFACIAL
Ernesto J. Calvo
INQUIMAE. DQIAyQF. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Universidad de Buenos Aires, Pabellón 2, Ciudad Universitaria
(E-mail:[email protected] )
Gran parte de las ciencias experimentales y naturales están basadas en el
lenguaje molecular de la química cuya capacidad es construir, comprender y manejar
"moléculas ", medir y predecir sus propiedades, modelar su comportamiento y aplicarlo
al armado en bloques para lograr materiales de propiedades predefinidas,
reconocimiento molecular y diseño de dispositivos para la detección e identificación de
especies químicas.
Desde fines del siglo XIX, la expansión de la química brindó a la sociedad
materiales plásticos, medicamentos, fertilizantes, herbicidas, armas y gran cantidad de
sustancias de uso diario. Entre los nuevos desafíos de la química hoy cabe mencionar
el procesado de las materias primas en forma sustentable (verde), la comprensión
molecular del funcionamiento de la biología para mejorar la calidad de vida a través de
la química, y copiar de la biología mecanismos (biomimética) para obtener materiales y
energía sustentable con el ambiente, por ejemplo la fotosíntesis artificial para la
conversión de energía solar en moléculas útiles y electricidad, el autoensamblado
molecular basado en interacciones supra-moleculares altamente selectivas para
desarrollar fuentes de energía alternativas al petróleo, uso prudente e inteligente de los
recursos naturales, mejorar la salud humana, combatir el hambre, etc.
Las interfaces entre fases o regiones de distintas propiedades físicas y químicas
juegan un importante papel en la biología, los materiales, catálisis, conversión de
energía química en eléctrica, detectores químicos de alta selectividad y sensibilidad,
etc. Tal es su importancia que la existencia de cavidades delimitadas por membranas
que separan la química en el interior de las células vivas respecto del medio exterior
hostil a las biomoléculas ha permitido la vida en el planeta Tierra basada en procesos
químicos en dichas interfaces. Dicha química interfacial es compatible con la
continuidad de la vida en la Tierra, de ahí la importancia de la biomética que trata de
compren-der y replicar la química en los seres vivos y aplicarla a procesos para
conversión de energía, desarrollo de materiales, salud, protección del ambiente,
alimentos, etc.
El almacenamiento de energía eléctrica en energía contenida en los enlaces
entre los átomos y la conversión de ésta nuevamente en energía eléctrica por ejemplo
en baterías y en celdas de combustible ocurre debido a reacciones químicas en
interfaces entre medios de diferente conductividad eléctrica, siendo dichas reacciones
químicas las llaves o conmutadores para la conducción de la electricidad en dichas
interfaces.
En la detección de niveles de ultra vestigios de contaminantes en aguas, aire,
suelos o en alimentos se requieren detectores químicos (en inglés “sensors” que
proviene de los sentidos mediante los cuales exploramos nuestro ambiente) que
permiten el reconocimiento molecular y la transducción de una señal óptica o eléctrica
que luego pueda procesarse. Dichas etapas de reconocimiento molecular, transducción
de información química en óptica o eléctrica requieren de la química en las interfaces,
bien porque las superficies amplifican concentrando moléculas o bien porque lo hacen
mediante procesos fotofísicos, fotoquímicos o electroquímicos.
En la remediación de contaminantes en el aire, suelos o aguas las interfaces
aportan gran área superficial en los coloides o en las estructuras tridimensionales
porosas que permite la adsorción, es decir la interacción física y química de las
moléculas que prefieren situarse en la superficie respecto del medio en contacto.
La química de interfaces también resulta relevante en tratamientos y acabo de
superficies, cuyas propiedades deben ser diferentes de los respectivos materiales en
volumen, p.ej. en pinturas, cromados, niquelados, etc.; o bien en superficies
funcionales con propiedades antibacterianas, superhidrofóbicas, autolimpiantes,
catalíticas; o propiedades ópticas particulares (p.ej. lentes de contacto con superficie
coloreada), superficies anti-reflectantes, etc. Los procesos de deterioro de materiales
por corrosión y las tecnologías para su prevención están basados también en
reacciones químicas en interfaces.
En catálisis heterogénea para aplicaciones desde la petroquímica hasta la
síntesis de fármacos, las reacciones químicas en interfaces determinan la selectividad
y el grado de conversión del proceso. En particular, en una economía post petróleo la
humanidad enfrenta el desafío de contar con procesos químicos sustentables para la
fabricación fundamentalmente de fibras y combustibles que hoy se obtienen del
petróleo. Dicha química debe ser sustentable (verde) desde la producción, durante su
uso y aún en la etapa de desecho (debe planificarse la química de los procesos y
productos “desde la cuna hasta el féretro”).
En nanotecnología, las propiedades están determinadas por el tamaño en la
escala del nanómetro o sea la escala de las moléculas (1 nanómetro es la mil millonésima parte de un metro), así la interacción con la luz, las propiedades magnéticas,
eléctricas, temperatura de fusión, etc. cambian dramáticamente en dicha escala en
relación a las mismas en escala macroscópica. En particular dado que la relación área/
volumen crece inversamente al radio de la partícula, las propiedades de la interfaces
partícula/medio son fundamentales ya que a menor tamaño será mayor la superficie
por unidad de volumen. La química que ocurre en dichas interfaces es de gran interés
tanto científico como tecnológico: p.ej. en diagnóstico y terapéutica, en materiales como
las nuevas pinturas para automóviles, nano partículas utilizadas para
descontaminación, nuevos catalizadores en celdas de combustible, baterías de alta
densidad de potencia en dispositivos electrónicos y en autos híbridos y eléctricos, etc.
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA
- Chemistry for Tomorrow’s World. A Roadmap for the Chemical Science. Royal Society
of Chemistry, Londres, 2009.
- P. Atkins, The Future of Matter, en The Next Fifty Years. Science in the First Half of
the Twenty-First Century, J. Brockman (Edit.), Vintage, New York, p. 194-202.
- The Age of the Molecule, Royal Society of Chemistry, Londres, 1999.
- Basic Research Needs for Electrical Energy Storage, Office of Sciences, US
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