Química y el bolsillo mágico de Doraemon

Hola y bienvenidos de nuevo a mi blog “Huele a Química”. Porque la Química, efectivamente, huele, y todo lo que huele es, efectivamente, Química.


En esta época navideña regreso a mi más tierna infancia para recordar a un personaje de dibujos animados que seguro casi todos conoceréis: me refiero a Doraemon, el gato cósmico. Sí, Doraemon es ese gato robótico (¿o era un mapache?) que viene del futuro para sacar de todos los apuros imaginables al desastroso, vago, envidioso y demás, Nobita Nobi. La capacidad de meterse en problemas y enredos que tenía ese niño era tan descabellada como la manera que tenía Doraemon de sacarle de ellos. Y es que Doraemon poseía algo que a todos nos gustaría tener: un bolsillo mágico donde guarda cientos o miles de objetos futuristas. No sabemos bien como funciona (quizá es la versión 2.0 del bolso mágico que utiliza Hermione Granger al final de la saga de ‘Harry Potter’), pero de ese pequeño bolsillo saca siempre todo tipo de aparatos que ayudan a Nobita a escapar del apuro en el que se metió. Recordemos la puerta mágica o el gorrocóptero, junto con un sin fin más de ellos.

A priori, se nos hace inimaginable pensar en algo diferente a la magia y la fantasía para colectar en un espacio tan diminuto tal cantidad de objetos de tamaños diversos. Pero, amigos, la ciencia puede tener a veces algo de ‘magia’. Los químicos llevamos décadas haciendo uso de nuestro profundo conocimiento a la hora de juntar, ensamblar y combinar átomos y moléculas de todos los tipos, hasta dar con la combinación (o combinaciones) que dan con la tecla para el fin que nos proponemos. Y el objetivo de introducir un gran cantidad de materia en un espacio muy reducido, o más reducido del que hasta ese momento era asumible, ya está cumplido desde hace años.

Ese fenómeno que sólo vemos en la ficción se consigue gracias a los MOFs. El nombre MOF viene de Metal-Organic Frameworks, o Redes Metalo-Orgánicas en castellano, y hace referencia a unos compuestos macro-moleculares formados por átomos metálicos y moléculas orgánicas, formando una estructura tridimensional.

Seguro que en la imagen de abajo se ve mejor: los átomos metálicos se encuentran unidos en el espacio por conectores, que en este caso son las moléculas orgánicas. El conjunto, como dije, es una estructura que se expande en las tres dimensiones formando compuestos macro-moleculares, es decir, moléculas muy grandes. En el ejemplo os muestro un MOF cúbico, pero también los hay de muchos tipos de geometrías.

Metal-Organic Framework
Estructura de una celda de MOF cúbica

Fue en los años 90 cuando comenzaron a publicarse artículos científicos hablando de MOFs, y desde entonces centenares de grupos científicos los han sintetizado combinando diferentes metales y diferentes moléculas orgánicas, como si de piezas de LEGO se tratara, obteniendo una cantidad enorme de estructuras.

tipos-de-mof
Diferentes tipos de MOF modificando tanto el metal como el conector orgánico.

A nivel macroscópico, es decir, a nuestros ojos, los MOF se presentan como un polvo, de grano más o menos grande, de forma que es fácil manejarlos y analizarlos. Sin embargo, si los observamos con microscopios, veremos que esos granos tienen una geometría igual a la que molecularmente se espera. Es decir, la geometría molecular se traslada a niveles macroscópicos.

MOF SEM
MOFs vistos a través del microscopio. Geometría bipiramidal a la izquierda, y cúbica a la derecha.

¿Y dónde reside la ‘magia’ de estas estructuras? Si os fijáis en la figura de abajo, ésta corresponde a lo que se llama una ‘celda’, es decir, un hueco o cavidad en la que se puede alojar, en este caso, una molécula. Pero si hemos dicho que la estructura se extiende en las tres dimensiones, las celdas se multiplicarán exponencialmente cuanto más grande se haga, y la estructura contará con millones de ellas, convirtiéndose en una estructura porosa, muy porosa. De hecho, el área que tiene un gramo de MOF es equivalente al de ¡cuarenta pistas de tenis! ¿Os podéis imaginar cuántas moléculas podrían caber dentro de un solo gramo de MOF?  ¿Veis por dónde voy?

mof-5
Celda del llamado MOF-5 con una molécula alojada en su interior.

La aplicación más extendida de los MOFs hoy en día es la de almacenamiento de gases. Gases como el oxígeno (O2), el nitrógeno (N2), el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4) y muchísimos más pueden ser almacenados dentro de estas estructuras. ¿Y cuál es la ventaja con respecto a otros sistemas de almacenamiento de gases como balas o tanques? La ventaja principal reside en su relación tamaño:capacidad. Al ser estructuras tan porosas, ordenadas y regulares, cada molécula de gas puede ocupar una de las celdas que hemos comentado, quedando ordenadamente colocadas dentro de la estructura. Es precisamente el orden el que hace que, en el mismo espacio, la capacidad de almacenamiento sea mucho mayor si se utilizan MOF.

gass-storage
Representación de como moléculas de gas pueden alojarse en la estructura de MOFs

En los tanques o balas habituales, los gases están almacenados a elevadas presiones. Se les debe ‘forzar’ a estar muy apretados, interaccionando una molécula con la otra, lo que provoca inestabilidad. Se deben diseñar contenedores que soporten esas presiones sin que exploten, ya que el gas tiende a salir. En cambio, al introducir el gas en el MOF, esa presión apenas existe, ya  que al estar cada uno es una ‘celda’, se encuentran estables y pueden estar uno cerca del otro sin problemas. Además el material es sí es más barato, ligero y manejable.

Actualmente, ya hay tecnologías que incluyen el uso de MOFs. Algunas empresas tecnológicas utilizan estas estructuras para aplicaciones tan diversas como capturar el CO2 resultante de la quema de combustibles fósiles; almacenar el gas natural utilizado para mover coches que funcionan a base de gas; purificar gas natural mediante separación de las impurezas en su interior; y otras aplicaciones emergentes como el almacenamiento y liberación controlada de fármacos.


Con los MOFs, los químicos hemos trasladado la ficción a la realidad. Almacenar una gran cantidad de materia en un espacio muy confinado como hacía Doraemon en su bolsillo mágico es posible gracias a estas estructuras, cuyo estudio está auge y con un futuro muy prometedor.

“Esta entrada participa en la LXI edición del Carnaval de Química, alojada en el blog quimidicesnews de @quimidicesnews

Gracias como siempre por leer, no dudéis en dejar comentarios o contactar a través de Twitter o Facebook.

¡Feliz año!

Pedro Juan Llabrés Campaner

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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