Los químicos verdes sueñan con replicar las reacciones de la fotosíntesis. De los posibles resultados, uno de los más comentados es la capacidad de producir combustibles de hidrógeno asequibles a partir del agua. En teoria, el único subproducto de la quema de hidrógeno es el agua. Pero en este momento, la mayor parte del hidrógeno se extrae de combustibles fósiles o se fabrica mediante procesos de uso intensivo de energía impulsados ​​por combustibles fósiles.

Sin embargo, si científicos como la Dra. Rosalie Hocking de Swinburne pudieran encontrar una manera de producir hidrógeno de manera similar a los pasos que toman las plantas durante la fotosíntesis, muchos de nuestros problemas con las emisiones de combustibles fósiles podrían evaporarse.

Para crear azúcares para su propio uso, las plantas absorben dióxido de carbono de la atmósfera y succionan agua a través de sus raíces. En los coroplastos de las hojas, pares de moléculas de agua se dividen en dos moléculas de hidrógeno y una molécula de oxígeno (vea la página 32). Las moléculas solo hacen esto con un aporte de energía. En plantas Las clorofilas con racimos de manganeso y varias enzimas sirven como fotocatalizadores para acelerar la reacción. todo dentro de un complejo proteico conocido como fotosistema II. Luego, las plantas reciben su unidad de energía básica cuando el hidrógeno reacciona con el CO ₂ para formar glucosa en otro conjunto de reacciones. Incluso con la luz del sol sin embargo, estas reacciones son lentas.

Es la primera y más difícil parte de la ecuación, la reacción que divide el agua en hidrógeno y oxígeno, lo que fascina a Hocking. profesor titular en Swinburne, y la receptora de una Beca de Mujeres en STEM del Vicecanciller. Está buscando una sustancia que actúe como un catalizador similar a la clorofila para acelerar las reacciones de descomposición del agua. Pero a medida que su equipo analiza las estructuras cristalinas de posibles catalizadores, un par de impares, los minerales inadaptados han entrado en foco.

Inadaptado similar al manganeso

En 2011, Los datos de Hocking de una línea de espectroscopia de rayos X en el Sincrotrón de Australia en Melbourne, mostró algo sorprendente sobre un mineral llamado Birnessita (óxido de manganeso). El mineral resultó, tiene distintas similitudes en la reactividad catalítica con el manganeso en el fotosistema II. Robusto, económico y abundante, Hocking y sus colaboradores concluyeron que esta Birnessita podría ayudar potencialmente a dividir el agua si se estimula con electricidad.

"Realmente, la gente sabía durante mucho tiempo que Birnessita era similar a partes del fotosistema II, "dice Hocking". Pero, Temprano, probaron una versión estable de este material, descubrió que estaba 'muerto' en términos de actividad catalítica y luego siguió adelante ".

Ella piensa que muchos catalizadores útiles se han estado escondiendo de esta manera. "Cuando haces un óxido de manganeso en un laboratorio de química, podría utilizar un sistema bastante puro en agua destilada, ", explica." Pero cuando estas fases se hacen en la naturaleza, hay calcio alrededor, potasio, sodio, un poco de hierro. Es desordenado y es el desorden lo que cambia la reactividad.

"Muchas de nuestras investigaciones han demostrado que si estabiliza un sistema, reduce la reactividad y lo hace menos capaz de hacer el negocio de la catálisis; es termodinámicamente feliz y no quiere aceptar ni liberar electrones ".

La birnessita se encuentra entre un puñado de otros óxidos metálicos que se ha descubierto que son capaces de dividir el agua, incluido el óxido de rutenio, óxido de iridio y óxido de cobalto.

Un estudio de 2015 realizado por investigadores de la Universidad Estatal de Florida y la Universidad de California, Berkeley, mostró una forma de estratificar Birnessita para capturar de manera eficiente la energía solar para dividir el agua.

Uno de los investigadores involucrados en este estudio sugirió que los techos futuros podrían estar cubiertos con este mineral, y que podría convertir el agua de lluvia en energía con la ayuda del sol.

Pero hacer realidad esta predicción está muy lejos. Los catalizadores útiles para la fotosíntesis artificial aún se conocen poco y, a menudo, requieren temperaturas muy altas para funcionar. Hocking dice, por ejemplo, que si los catalizadores clásicos iban a funcionar como lo hace la fotosíntesis, ella piensa que ya lo hubiéramos visto. "Si observa muchos catalizadores industriales, tienden a catalizar reacciones que no involucran tanta energía, ", explica." Los mecanismos en este tipo de catalizadores deben ser fundamentalmente diferentes ".

Empuñando rayos de luz

Los catalizadores se encuentran entre las especialidades de Hocking. Formado como espectroscopista de rayos X en la Universidad de Stanford en los Estados Unidos, utiliza una forma de luz conocida como radiación de sincrotrón para comprender los materiales.

La luz de las líneas de luz del sincrotrón, generado por la aceleración de electrones a casi la velocidad de la luz en instalaciones del tamaño de campos de fútbol, revela datos estructurales de rayos X imposibles de observar de otra manera. "La gente suele llamarme para decirme que tiene un nuevo catalizador fantástico, pero necesitan ayuda para estudiar su estructura, porque no saben cómo utilizar la línea de luz, "dice Hocking.

"Ser espectroscopista de rayos X me da la ventaja de ver muchos materiales de otros investigadores. Y siempre presto atención a los puntos en común y las diferencias entre ellos".

Hocking cree que la ciencia puede haber pasado por alto los catalizadores como Birnessite porque su estructura es demasiado desordenada para los gustos de la mayoría de los químicos. Ella dice que los químicos están entrenados desde el principio para buscar el orden en las moléculas para comprenderlas mejor. y por eso tienen un sesgo intrínseco hacia las versiones cristalinas ordenadas de los minerales.

"Piense en un libro de texto de química de primer año, ", dice Hocking." Estamos enseñando a los estudiantes sobre los radios de iones y átomos, y que proviene directamente de la cristalografía de rayos X, una técnica analítica que solo se puede aplicar a materiales que están completamente ordenados. Estos conceptos son la base de algunas de nuestras primeras suposiciones como químicos ". Según Hocking, los químicos son realmente buenos para caracterizar sólidos que son cristalinos y son bastante buenos con sistemas moleculares en solución, "¡Pero somos terribles en todo lo demás! Y al hacerlo, hemos ignorado muchas cosas".

Otro mineral potencialmente muy sucio es el sulfuro de hierro, que se encuentra en el azufre que emana de ambientes con poco oxígeno, como el agua de los pantanos. La prevalencia de sulfuros de hierro en objetos extraterrestres ha dado lugar a sugerencias de que también puede estar relacionado con el primer florecimiento de la vida en la Tierra. y así la evolución temprana de la fotosíntesis. Los sulfuros de hierro también ayudan a regular los procesos metabólicos en los sistemas vivos al aceptar o liberar electrones.

A pesar de su simple composición de átomos de hierro y azufre, Los sulfuros de hierro pueden adoptar un sorprendente número de estructuras diferentes, pero también puede haber caído en un punto ciego químico. "Las fases de sulfuro de hierro se han pasado por alto porque los científicos observaron sus formas muy estables en lugar de sus estados naturales, que están extremadamente desordenados con muchas impurezas. Con el redescubrimiento de los sulfuros de hierro como materiales electrocatalizadores funcionales, es razonable preguntar '¿Qué nos perdimos hace décadas?' "

El trabajo reciente de Hocking se ha centrado en formas 'metaestables' de manganeso y sulfuros de hierro. Estos materiales se transforman en otro estado con el tiempo. Su laboratorio de Swinburne está tratando de modificar los sulfuros de hierro metaestables para que sean más desordenados utilizando trucos como la precipitación rápida, o añadiendo tensioactivos jabonosos que interfieran con la formación de cristales. "Es fácil hacer que las cosas no sean cristalinas, "Bromeando. Sólo tienes que intentar revertir lo que has sido entrenado para hacer como químico toda tu vida".

Maquinaria grande y más allá

Comprender estos nuevos compuestos utilizando la enorme maquinaria del sincrotrón puede resultar lento. "Tardan mucho en instalarse, y es difícil conseguir que su electroquímica y espectroscopia sean correctas al mismo tiempo, "dice Hocking. Es posible que el equipo solo tenga tres o cuatro días al año para realizar pruebas cruciales." Mi récord de permanecer despierto es más de lo que debería admitir, 48 horas más o menos ".

A la dificultad se suma el hecho de que caracterizar compuestos 'desordenados' es mucho trabajo extra. Por un orden cristalino, los investigadores pueden buscar un grupo de átomos, conocida como celda unitaria, que puede reproducir toda la estructura cristalina cuando se repite en tres dimensiones. Para materiales más desordenados, estos experimentos simplemente no funcionan. A menudo, los materiales se describen como amorfos, lo que significa que no tienen celda unitaria, por lo que no se pueden analizar de forma convencional.

"Aquí es donde la espectroscopia de absorción de rayos X basada en sincrotrón puede ser bastante útil, "explica Hocking." Podemos usar la luz de alta energía para localizar las partes metálicas de una muestra y comprender la nanoestructura en esa región. En nuestro grupo, combinamos espectroscopía de rayos X con microscopía electrónica para comprender el desorden ".

Hocking y su colaborador, Dr. Alexandr Simonov en la Universidad de Monash, también he pasado los últimos cinco años desarrollando un dispositivo, llamada celda electroquímica in situ, para medir la estructura de un catalizador potencial y la respuesta al potencial eléctrico simultáneamente. El equipo puede usarlo para vincular el marco atómico de un material con la cantidad de veces que un catalizador realiza una reacción antes de inactivarse.

Ya ha dado resultados. "Hay algunas diferencias sorprendentes en los materiales que no habíamos notado, ", dice Hocking." También podemos ver respuestas materiales completas, cambios en su estructura, o estado de oxidación, rather than just the active sites that people usually focus on in catalysis."

She hopes that using this new technology on overlooked disordered minerals will speed up the process of identifying many game-changing results. "I'm not a terribly tidy woman, " she adds, "and my group joke about me being interested in disordered materials when I'm a little disordered myself." But if she finds the key to splitting water, Hocking's finding will be far from a joke.