8 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 18, 2015

Néstor Julián Bello ViedaQuímico, estudiante de maestría en Química en la Universidad de los Andesnj.bello1211@uniandes.edu.co

Agradecimiento a Carlos Ramos por la colaboración en la modificación y edición de las imágenes

Cristales que respiran

[ notas. QUÍMICA ]

El oxígeno es uno de los gases más importantes para la huma-nidad, no solo porque es imprescindible para el desarrollo de la vida en la tierra, sino también por su amplio uso en operaciones industriales, como la producción de acero, el uso en sopletes y en la síntesis de sustancias químicas. La separación de este gas del nitrógeno, con el que se encuentra mezclado en la atmósfera, se hace actualmente mediante una técnica complicada denominada destilación criogénica, que se lleva a cabo a temperaturas por debajo de los menos doscientos grados centígrados. A nivel bio-lógico, la absorción y posterior liberación de oxígeno es un ciclo clave para animales y plantas, por medio del cual logran subsistir.

Actualmente, los procesos que involucran separación de oxígeno de otros gases son exclusivamente físicos, es decir, los gases se retienen por interacciones débiles que no involucran enlaces químicos entre el material que separa y la sustancia que se quiere separar. Esto hace que la selectividad de la técnica para obtener un solo tipo de gas sea reducida. Los métodos que implican reacciones químicas para la separación de gases son mucho más selectivos pero la posterior liberación del oxígeno es complicada, ya que conlleva transformaciones de las sustancias, muchas veces irreversibles.

Figura 1. Estructura de la hemoglobina (a) y la mioglobina (b). Los centros metálicos se muestran en círculos amarillos sobre la imagenFuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Hemoglobin; http://en.wikipedia.org/wiki/Myoglobin

a) b)

Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 9

A diferencia de los procesos industriales, la naturaleza tiene muchas formas de absorción selectiva de oxígeno, que es retenido mediante en-laces químicos. Este proceso es posible por medio de una clase espe-cial de proteínas llamadas metaloproteínas, que tienen en su estructura metales como níquel, manganeso, hierro y cobre  [1]. Estos sistemas transportan oxígeno con el fin de degradar moléculas posteriormente.

Entre las metaloproteínas más conocidas e importantes se encuentran la hemoglobina y la mioglobina (figura 1), las cuales cuentan con un centro metálico de hierro, y son las encargadas de transportar el oxí-geno desde los pulmones hacia los tejidos que lo requieren [2]. Desde hace algunos años se ha intentado imitar las características de estas moléculas; los avances más importantes solo se han logrado a partir del 2011 [3], cuando se reportó la primera molécula capaz de realizar este proceso, aunque con baja eficiencia y poca selectividad.

Después de realizar algunos cambios en la estructura de la molécula reportada en 2011 —específicamente, modificar los aniones que la estabilizan—, un grupo de investigadores del Departamento de Física, Química y Farmacología de la Universidad de Dinamarca del Sur  [4] pudo dar origen a un nuevo material que es capaz de absorber oxígeno en grandes cantidades y almacenarlo hasta que se den las condicio-nes necesarias para eliminarlo de su estructura (figura 2). El oxígeno puede ser recuperado del cristal que dicho grupo produjo mediante aumento de temperatura o sometiendo el material a condiciones con baja concentración de oxígeno  [5]. Este sólido cristalino incorpora en su estructura centros metálicos de cobalto, sobre los cuales se da una quimisorción, es decir, el oxígeno se une a los átomos de cobalto por medio de un enlace químico, de la misma forma que lo hace en las metaloproteínas.

Una de las propiedades más sorprendentes de este nuevo material es que es capaz de liberar el oxígeno enlazado y recuperar su estructura original para recibir otra molécula de oxígeno y repetir el proceso sin

Figura 3. Cristal en su forma oxigenadaFuente: Universidad de Dinamarca del Sur

perder la eficiencia inicial. Se encontró que el compuesto tiene una afinidad comparable a la mioglobina, pues logra concentrar el oxígeno unas 160 veces más que la proporción presente en el aire. Otro im-portante logro es la selectividad que tiene esta sustancia, que es 38 veces más afín por el oxígeno que por el nitrógeno, teniendo en cuenta que este último se encuentra en mayor proporción en la atmósfera [4].

Las aplicaciones de este nuevo material son muchas. Personas que requieran oxígeno en concentraciones mayores del 21% presente en la tropósfera, donde se desarrollan las actividades humanas —como pacientes con problemas pulmonares— no tendrán que transportar grandes y pesados tanques de oxígeno. También se propone un inte-resante uso para los buzos, dado que este material no solo es capaz de obtener oxígeno del aire, sino también del agua. Se han sintetizado

Figura 2. Compuesto que absorbe y almacena oxígeno, sintetizado en la Universidad de Dinamarca del Sur, antes y después de la reacción con oxígeno. El cristal oxigenado tiene color negro, mientras que el cristal sin oxígeno es rojo brillante. Fuente: http://www.sdu.dk/en/Om_SDU/Fakulteterne/Naturvidenskab/Nyheder/2014_09_30_iltsluger

0,1 mm

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diferentes estructuras de este nuevo compuesto con pequeños cam-bios en la composición, como modificación en los aniones, que generan diferentes velocidades de liberación del oxígeno [5]. Esto permitiría la rápida absorción del oxígeno en el agua y su lenta liberación en el inte-rior de la máscara, para la respiración del buzo.

Recientemente se está estudiando si la irradiación de los cristales con luz puede expulsar el oxígeno retenido, lo cual podría ser un gran avance en la fotosíntesis artificial, que es un campo de reciente interés científico que busca hacer celdas de combustión usando luz solar, agua y dióxido de carbono [6]. La sustancia también puede ser útil para el desarrollo de celdas de combustión convencionales, que requieren de hidrógeno y oxígeno para generar energía. Este material podría ser una fuente con-trolada de oxígeno para el correcto funcionamiento de estas celdas.

Los “cristales que respiran” pueden tener una gran cantidad de aplica-ciones útiles que podrían llegar a cambiar la forma en la que vivimos actualmente. Usos en las máscaras de buceo, en el tratamiento de enfermedades respiratorias, en trajes espaciales, en conservación de alimentos y en celdas de combustión hacen de estos materiales una fuente de investigación y desarrollo científico muy importante para los próximos años. •

REFERENCIAS

[1] Vad MS, Johansson FB, Seidler-Egdal RK, McGrady JE, No-

vikov SM, Bozhevolnyi S et al. Tuning affinity and reversibility

for O2 binding in dinuclear Co(ii) complexes. Dalton Transac-

tions 2013; 42(27): 9921-9929.

[2] The chemistry of hemoglobin and myoglobin; http://chemed.

chem.purdue.edu/ genchem /topicreview/bp/1biochem/

blood3.html.

[3] Southon PD, Price DJ, Nielsen PK, McKenzie CJ, Kepert CJ.

Reversible and selective O2 chemisorption in a porous metal-

organic host material. Journal of the American Chemical So-

ciety 2011; 133(28): 10885-10891.

[4] Sundberg J, Cameron LJ, Southon PD, Kepert CJ, McKenzie

CJ. Oxygen chemisorption/desorption in a reversible single-

crystal-to-single-crystal transformation. Chemical Science

2014; 5(10): 4017-4025.

[5] New material steals oxygen from air. http://www.sdu.

dk/en/Om_SDU/Fakulteterne/Naturvidenskab/Nyheder/

2014_09_30_iltsluger.

[6] Artificial photosynthesis; http://solarfuelshub.org/research/.

Figura 4. Modificada de http://pixabay.com/es/animales-aqua-azul-profunda-buceo-15594/