¡Cambia la cara de las nanopartículas y dominarás la química! Dependiendo de la iluminación, las superficies de nanopartículas apropiadamente elaboradas pueden cambiar su topografía. Investigadores del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia han demostrado que el mecanismo molecular que han diseñado permite descubrir u ocultar de forma eficaz las moléculas catalizadoras utilizando luz. La técnica que presentan conduce a posibilidades cualitativamente nuevas para controlar el curso de las reacciones químicas.

Usando nanopartículas con superficies que cambian de apariencia bajo la influencia de la luz, es posible controlar fácil y precisamente el curso de prácticamente cualquier reacción química catalítica, incluidos los que tienen muchas etapas. Un elemento clave de la nueva técnica, desarrollado y demostrado por investigadores del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia (IPC PAS) en Varsovia, es el mecanismo de enmascaramiento geométrico de los centros catalíticos activos en las superficies de las nanopartículas. Esta clase de nuevos materiales inteligentes hechos de materia blanda y dura, descrito en la prestigiosa revista química Catálisis ACS , presagia un cambio cualitativo en el campo de las reacciones catalíticas industriales y es una etapa importante en el diseño de sistemas químicos que imitan las características más importantes de los organismos vivos.

Un catalizador es una sustancia que provoca una reacción entre compuestos químicos específicos, participando activamente en él y volviendo en gran medida a su estado original después de su finalización. Hoy en día, Los catalizadores se diseñan generalmente para optimizar las reacciones catalizadas y reducir el consumo de catalizador. Se presta atención, entre otros, a su selectividad, es decir, su capacidad para acelerar uno, reacción elegida con precisión. Sin embargo, no existe un gran control sobre los catalizadores construidos de esta manera. Después de la introducción en la solución, suelen actuar inmediatamente hasta que se detiene la reacción.

Una de las herramientas más convenientes que se puede utilizar para influir en los compuestos químicos en las soluciones son las ondas de luz con energías adecuadas a las propiedades del sistema en particular. La luz se puede introducir fácilmente en todo el volumen del líquido, y en general no interfiere con el curso de las reacciones catalíticas en sí mismas. Ahora, resulta que el sistema químico se puede diseñar de modo que, dependiendo de la iluminación, cataliza o no varias reacciones químicas.

El concepto de control de la luz de la actividad del catalizador, propuesto por los químicos del IPC PAS, se entiende más fácilmente haciendo una analogía con los girasoles. Estas son plantas con largo, tallos rígidos, al final de la cual hay una cesta pesada con semillas. Durante el día, la cabeza del girasol siempre está dirigida hacia la luz, es decir, hacia arriba, lo que le permite atraer insectos y pájaros. Cuando cae la noche sin embargo, la cabeza no se encrespa como otras flores. En su base, el tallo simplemente se dobla, la canasta se cae y toda la inflorescencia deja de ser accesible.

"Nuestro complejo molecular clave se comporta como girasoles, sólo a escala molecular. El suelo en el que crecen nuestros 'girasoles' es la nanopartícula de oro, el tallo:una molécula larga de ligando orgánico, el fragmento de flexión:un fotointerruptor que cambia de forma bajo la influencia de la luz. La canasta es el catalizador en sí mismo. La única diferencia es que nuestros 'girasoles' son un poco ... tímidos, esconden sus cabezas catalizadoras cuando se vuelve brillante a su alrededor y las levantan cuando está oscuro. "explica el Dr. Volodymyr Sashuk (IPC PAS).

En años recientes, Los científicos del IPC PAS no solo han desarrollado el concepto de un método innovador para controlar la catálisis, pero también lo probé en la práctica, construyendo un real, modelo de sistema químico. Fue construido utilizando nanopartículas de oro con dimensiones de tres nanómetros y uno de los catalizadores más simples:un aminoácido llamado prolina. El método en sí, sin embargo, no impone restricciones específicas, por lo que potencialmente se puede usar cualquier otro catalizador, transformándolo funcionalmente en una variante cuya actividad se controla mediante la luz.

"La producción de nanopartículas recubiertas con ligandos con partículas de catalizador adheridas no es particularmente difícil, lo hace, sin embargo, requieren cierto cuidado y atención. Por ejemplo, las proporciones entre el número de ligandos con una molécula de catalizador y el número de ligandos sin ella son importantes. Si hay demasiados ligandos vacíos, las moléculas de catalizador no tendrán dónde esconderse físicamente, y podemos olvidarnos del control, "dice la estudiante de doctorado Magdalena Szewczyk (IPC PAS).

Las nanopartículas controladas por luz que catalizan reacciones químicas prometen una nueva fase en el desarrollo de la catálisis. Hasta ahora, las reacciones catalíticas se han llevado a cabo típicamente en una solución que contiene los sustratos necesarios y un solo catalizador. Ahora, están surgiendo nuevas oportunidades. Potencialmente, la misma solución puede contener sustratos para reacciones catalíticas de etapas múltiples y una variedad de catalizadores, cada uno activado con luz en momentos apropiados. Como resultado, varias reacciones de componentes que producen los productos químicos necesarios en las etapas posteriores de un proceso tecnológico, en el que se desencadenaría la nueva reacción después de que se detuvieran las reacciones anteriores, podría tener lugar en un recipiente a la vez. Pero estas no son las únicas ventajas de la nueva solución.

"Hasta ahora, después de la reacción, los químicos se quedaron con una solución que contenía tanto el producto como el catalizador. La eliminación de este último se asoció a menudo con la necesidad de desarrollar pasos tecnológicos adicionales. En nuestro método, el catalizador se deposita sobre nanopartículas. Potencialmente, estas partículas se pueden ajustar para que reaccionen, por ejemplo, a un campo magnético. Después de completar la reacción, Bastaría con atraer las nanopartículas al fondo del recipiente, donde podrían separarse fácilmente del producto en sí, "señala el estudiante de doctorado Grzegorz Sobczak (IPC PAS).

El futuro de la multietapa, precisamente la catálisis controlada por luz promete ser interesante. Las mezclas multicomponente de nueva generación podrían, por ejemplo, endurecerse solo a petición del usuario, por lo que sería posible llenar todo tipo de moldes, incluso formas muy complejas, con más precisión. Una solución popular probablemente sean los convenientes adhesivos poliméricos multicomponente, entregado inmediatamente en una mezcla, listo para esparcir forma. Estas son solo algunas de las ideas que se están considerando hoy. Los investigadores del IPC PAS todavía están buscando ideas sobre cómo su concepto podría traducirse en aplicaciones específicas.