Las partículas metálicas del tamaño de algunos nanómetros (1 nm = 0.000000001 m), comunmente llamadas nanopartículas son entes a caballo entre el mundo submicroscópico de los átomos y moléculas, y nuestro mundo macroscópico. Estas partículas son objeto de un extraordinario interés por sus propiedades físicas inusuales, pero sin duda una de sus características más destacadas es su capacidad para catalizar un gran número de reacciones químicas.

Existen métodos muy diversos para generar nanopartículas metálicas, pero para controlar de manera adecuada sus propiedades, es necesario definir de manera precisa su tamaño. Una manera de lograrlo, es hacerlas crecer a partir de átomos individuales, bloqueando el proceso al alcanzar el tamaño deseado. Recientemente, en nuestro grupo del Instituto de Investigaciones Químicas hemos creado unas moléculas que se adhieren a la superficie de las nanopartículas, y las estabilizan impidiendo que continúe su crecimiento, y en colaboración con el Institut National des Sciences Appliquées (Tolouse, Francia), hemos investigado la capacidad de estas moléculas para dirigir el crecimiento de las nanopartículas metálicas (ver Figura).

Estas moléculas poseen una estructura especial, de manera que en uno de sus extremos poseen carga negativa, y en el otro una carga positiva. El extremo cargado negativamente ha sido diseñado de manera que cada molécula se enlaza a dos metálicos átomos contiguos, reforzando la interacción de la molécula con la superficie de la partícula. Al unirse a las partículas metálicas, la parte cargada positivamente queda expuesta al exterior. Esto hace que, vistas de cerca, las nanopartículas parezcan estar rodeadas de carga positiva, por lo cual, aunque en conjunto las nanopartículas no poseen carga neta, se repelen al acercarse a corta distancia. Este efecto contribuye a la estabilización de las nanopartículas, impidiendo que se adhieran unas a otras formando agregados.

Cuanto mayor es la disponibilidad de moléculas dipolares, antes se detiene el crecimiento de las nanopartículas. Por ejemplo, haciendo crecer nanopartículas de rutenio (un metal de transición, vecino del hierro en la Tabla Periódica) en presencia de cantidades crecientes de estas moléculas, es posible ajustar sudiámetro medio desde 1.3 a 1.0 nm. Aunque la diferencia de 0.3 Å parece pequeña, implica que podemos elegir entre tamaños comprendidos entre aproximadamente 600 y 250 átomos.

Para medir cómo influye el tamaño de las nanopartículas en su eficacia como catalizadores, hemos utilizado una reacción química bien conocida, la hidrogenación del estireno. El estireno (A en la figura) es una molécula que tiene dos fragmentos bien diferenciados, un anillo de benceno y un doble enlace. La hidrogenación de esta molécula comienza en el doble enlace, dando etilbenceno (B), y pude continuar hasta eliminar todas las insaturaciones (C). La capacidad para detener la hidrogenación en B mide el grado de control o selectividad con la que actúa el catalizador.

En nuestro experimento, hemos podido comprobar que la velocidad de la hidrogenación del doble enlace (es decir, el paso de A a B) se mantiene aproximadamente constante al pasar de las nanoparticulas de 1.3 nm a las de 1.0 nm, pero la segunda etapa (C a D) se hace más lenta. Debido a esta diferencia de velocidad, las nanopartículas más pequeñas permiten detener la hidrogenación en C: son catalizadores más selectivos. Para comprender la causa de esta diferencia, tenemos que imaginarnos cómo la molécula de estireno interacciona con las nanopartículas. Las nanopartículas más grandes presentan superficies de mayor tamaño, que acomodan tanto al doble enlace como el anillo de benceno, y por eso ambas partes se hidrogenan rápidamente. En cambio, el anillo de benceno encuentra más dificultad por su tamaño para fijarse sobre las caras de las nanopartículas más pequeñas, que por tanto hidrogenan este fragmento con mayor lentitud

El año 2013 se celebró el 50 aniversario de la concesión del Premio Nobel a los químicos Karl Ziegler y Giulio Natta, por el descubrimiento de los catalizadores para la polimerización de olefinas. Tras este nombre un tanto abstruso se oculta una importante efeméride, que nos afecta en nuestra vida cotidiana: hace medio siglo que vivimos en lo que se podría llamar la Edad del Plástico. Ningún material descubierto por el ser humano ha supuesto una revolución tan radical y tan rápida como la que desencadenó el desarrollo y comercialización de los materiales sintéticos que llamamos plásticos. Los plásticos como el polietileno o el polipropileno han contribuido de manera muy significativa a acercar la tecnología al gran público, ya que se puede afirmar, sin temor a exagerar, que estos dos materiales constituyen el chasis del mundo moderno en el que vivimos.

Los catalizadores son sustancias que facilitan que tenga lugar una reacción química sin participar en ella de manera explícita. Muchas reacciones químicas que son posibles, no tienen lugar en la práctica a menos que intervenga algún tipo de catalizador. Por ejemplo, el agua oxigenada que compramos en la farmacia, es estable en su frasco durante años, pero al ponerla sobre una herida se transforma espontáneamente en agua y oxígeno, debido a que la sangre contiene sustancias que actúan catalizando su descomposición. Al comienzo de la década de 1950, el químico alemán Karl Ziegler descubrió un nuevo tipo de catalizador que induce la transformación de sustancias procedentes del petróleo, como son el etileno o el propileno, que son gases muy estables en las condiciones ordinarias, en los plásticos a los que nos hemos referido más arriba.

Los catalizadores de polimerización actúan como auténticas máquinas de ensamblaje a nivel molecular. Estas máquinas diminutas logran concatenar multitud de pequeñas unidades básicas de unos pocos átomos de carbono (como las moléculas de etileno, que tiene solo dos, o el propileno, con tres), formando las inmensas estructuras moleculares que son los constituyentes de los plásticos, las cuales contienen cientos de miles o incluso millones de átomos. Y esto lo hacen con enorme eficiencia, y a velocidades de vértigo. La forma en que se pueden combinar las unidades básicas son infinitas: podemos hacer moléculas enormes o más pequeñas, variar la forma de su esqueleto introduciendo ramificaciones, o combinar dos o más tipos de unidades en una sola molécula de plástico. De esta manera, a través de los catalizadores es posible transformar unas materias baratas y abundantes (o que, al menos, han venido siéndolo hasta hoy) en plásticos, unos materiales valiosos y muy versátiles, a un costo muy reducido.

Los plásticos están llamados a desempeñar un papel cada vez más importante en todo tipo de aplicaciones tecnológicas. Por ello, el desarrollo de nuevos catalizadores para la producción de plásticos continúa siendo hoy día una línea de investigación científica muy activa y apasionante. Los primeros catalizadores descubiertos por Ziegler eran relativamente simples: se trataba de sólidos inorgánicos que no poseían una identidad química bien definida. Los plásticos que se obtenían con ellos eran aún materiales primitivos, y sus propiedades muy inferiores a las que tienen los que nos son familiares de hoy día. Por ejemplo, cuando se ensamblan moléculas de propileno, que, como dijimos, tiene tres átomos de carbono, dos de ellos se usan para construir el esqueleto del plástico, y el tercero queda fuera del mismo, colgando como una rama lateral. Los catalizadores originales de Ziegler no controlaban la geometría de este proceso, y el resultado son moléculas cuya forma es parecida a la que tendría un peine cuyas púas se distribuyen al azar hacia un lado o hacia otro. Poco después, el químico italiano Giulio Natta descubrió que, a través de ciertas modificaciones introducidas en el catalizador, es posible controlar la manera en la que las unidades de propileno se orientan en el espacio justo antes de ser ensambladas. De este modo, se producen moléculas de plástico que tienen una estructura tridimensional precisa. Siguiendo con el símil anterior, dichas moléculas se parecerían mucho más a un peine, con todas las púas orientadas hacia el mismo lado. No es extraño que esta variedad de polipropileno posea propiedades físicas muy superiores, y de hecho es el material con el que se fabrican hoy en día multitud de objetos que requieren una gran resistencia mecánica, como las tuberías, o las defensas de los automóviles.

Uno de los mayores saltos conceptuales en la historia de los plásticos ha sido la evolución de los catalizadores, desde los que inventó Ziegler, que en esencia eran sólidos inorgánicos, hasta los más modernos que están formados por unas moléculas muy particulares, en las que un único átomo metálico se acomoda en una estructura orgánica diseñada especialmente, como si fuese una perla en una ostra. En cada tipo de catalizador, el proceso químico que desempeñan se desarrolla en puntos bien localizados, los centros activos. Los catalizadores inorgánicos sólidos presentan numerosos centros activos en su superficie, los cuales presentan configuraciones variadas que no es posible controlar con precisión. En cambio, el centro activo de los catalizadores moleculares se radica en el átomo metálico que éstos contienen, cuyo entorno químico se reproduce fielmente en cada molécula. Siguiendo con el símil anterior, el centro activo sería la perla, y su actividad sería modulada por la ostra. De este modo, es posible controlar con un mayor grado de precisión el comportamiento del catalizador, y así obtener plásticos cuyas propiedades se ajustan exactamente a la aplicación que deseamos darle. En la actualidad, los químicos poseen las herramientas necesarias para construir prácticamente cualquier molécula que sea posible imaginar, y esto abre innumerables posibilidades en el desarrollo de plásticos “a la carta”, cuya estructura y propiedades vienen definidos por el catalizador que les da origen. A través de esta tecnología, los plásticos extienden día a día sus capacidades y desplazan otros materiales mucho más costosos, desempeñando sus funciones con ventaja y realizando otras nuevas.

En algunos aspectos, los nuevos catalizadores de polimerización de tipo molecular se asemejan a los enzimas que ensamblan las grandes macromoléculas de la naturaleza, aunque nos queda aún un largo camino para igualar el grado de precisión necesario para construir una molécula de proteína o de ácido nucleico. A pesar de los avances experimentados en las últimas décadas, el desarrollo de un nuevo catalizador para la producción de plásticos continúa encerrando numerosos retos y dificultades. Aún son muchas las cosas que desconocemos, y al diseñar un nuevo catalizador, es difícil predecir exactamente qué clase de plástico podría llegar a producir. El proceso de desarrollar nuevos catalizadores es largo, ya que una vez encontrado un diseño molecular adecuado, es necesario llevar a cabo un proceso de mejora y optimización que es en buena medida empírico y requiere sintetizar y ensayar un gran número de nuevas moléculas. Hoy día son muy numerosos los grupos de investigación, tanto en los centros públicos como en las empresas, que se interesan en el desarrollo de catalizadores que permitan fabricar plásticos con nuevas propiedades. Entre los retos que nos encontramos, se encuentra el de modificar la estructura de los plásticos con fragmentos moleculares más complejos capaces de introducir nuevas funcionalidades, por ejemplo para mejorar la su compatibilidad con el medio ambiente, o la producción de nuevos plásticos partiendo de materias primas diferentes del petróleo, y renovables. En el Instituto de Investigaciones Químicas, un centro mixto del CSIC y de la Universidad de Sevilla, participamos en este esfuerzo investigando nuevos tipos de catalizadores que cumplan con estas expectativas.