Los catalizadores son una de esas cosas en las que poca gente piensa, más allá quizás de la química de la escuela secundaria, pero hacen que el mundo funcione. Casi todo en tu vida diaria depende de los catalizadores: los coches, las notas Post-It, el detergente para la ropa, la cerveza.

Los catalizadores están a nuestro alrededor.

Los catalizadores son una de esas cosas en las que poca gente piensa mucho, más allá quizás de la química del instituto, pero hacen que el mundo funcione. Casi todo en tu vida diaria depende de los catalizadores: los coches, las notas Post-It, el detergente para la ropa, la cerveza. Todas las partes de tu pan de molde, el queso cheddar, el pavo asado. Los catalizadores descomponen la pasta de papel para producir el papel liso de tu revista. Limpian tus lentes de contacto cada noche. Convierten la leche en yogur y el petróleo en jarras de leche de plástico, CDs y cascos de bicicleta.

¿Qué es la catálisis?

Los catalizadores aceleran una reacción química reduciendo la cantidad de energía que se necesita para ponerla en marcha. La catálisis es la columna vertebral de muchos procesos industriales, que utilizan reacciones químicas para convertir las materias primas en productos útiles. Los catalizadores son parte integral de la fabricación de plásticos y muchos otros artículos manufacturados.

Incluso el cuerpo humano funciona con catalizadores. Muchas proteínas del cuerpo son en realidad catalizadores llamados enzimas, que hacen de todo, desde crear señales que mueven las extremidades hasta ayudar a digerir los alimentos. Son realmente una parte fundamental de la vida.

Las cosas pequeñas pueden tener grandes resultados.

En la mayoría de los casos, sólo se necesita una pequeña cantidad de un catalizador para marcar la diferencia. Incluso el tamaño de la partícula de catalizador puede cambiar la forma en que se desarrolla una reacción. El año pasado, un equipo de Argonne que incluía al científico de materiales Larry Curtiss descubrió que un catalizador de plata es mejor en su tarea cuando está en nanopartículas de apenas unos átomos de ancho. (El catalizador convierte el propileno en óxidos de propileno, que es el primer paso para fabricar anticongelantes y otros productos).

Puede hacer que las cosas sean más verdes.

Los procesos industriales de fabricación de plásticos y otros artículos esenciales suelen producir subproductos desagradables que pueden suponer un peligro para la salud humana y el medio ambiente. Unos mejores catalizadores pueden ayudar a resolver ese problema. Por ejemplo, el mismo catalizador de plata produce menos subproductos tóxicos, lo que hace que toda la reacción sea más respetuosa con el medio ambiente.

En el fondo, un catalizador es una forma de ahorrar energía. Y la aplicación de catalizadores a gran escala podría ahorrar mucha energía al mundo. El 3% de toda la energía utilizada en Estados Unidos cada año se destina a convertir el etano y el propano en alquenos, que se utilizan para fabricar plásticos, entre otras cosas. Eso equivale a más de 500 millones de barriles de gasolina.

Los catalizadores también son la clave para obtener biocombustibles. Toda la biomasa -maíz, pasto varilla, árboles- contiene un compuesto duro llamado celulosa, que debe descomponerse para producir combustible. Encontrar el catalizador perfecto para desintegrar la celulosa abarataría los biocombustibles y los haría más viables como fuente de energía renovable.

A menudo, no tenemos ni idea de por qué funcionan.

Las razones precisas por las que los catalizadores funcionan suelen ser un misterio para los científicos. Curtiss trabaja en catálisis computacional: utilizando ordenadores para abordar la complicada interacción de la física, la química y las matemáticas que explican el funcionamiento de un catalizador.

Una vez que han descifrado el proceso, los científicos pueden intentar construir un catalizador que funcione aún mejor simulando cómo podrían funcionar diferentes materiales en su lugar. Las configuraciones potenciales de los nuevos catalizadores pueden llegar a ser miles de combinaciones, por lo que los superordenadores son los mejores para tratarlas.

Cuando Edison estaba construyendo la bombilla, probó literalmente cientos de filamentos diferentes (probablemente poniendo a prueba también la paciencia de sus ayudantes de laboratorio) antes de descubrir el filamento carbonizado. Aprovechando los superordenadores y la tecnología moderna, los científicos pueden acelerar los años de pruebas y gastos para llegar a los avances.

Curtiss realiza simulaciones en el superordenador Blue Gene/P de Argonne para diseñar posibles nuevos catalizadores. «A medida que los superordenadores se han hecho más rápidos, hemos podido hacer cosas que nunca habríamos podido hacer hace 10 años», dijo.

Podrían ser esenciales para la próxima gran revolución de las baterías.

Las nuevas y eficientes baterías de iones de litio ayudaron a convertir los aparatosos teléfonos de los coches en los delgados y elegantes teléfonos móviles y ordenadores portátiles de hoy en día. Pero los científicos ya están buscando la próxima revolución en materia de baterías, una que algún día pueda hacer que una batería sea lo suficientemente ligera y potente como para que un coche recorra 800 kilómetros de un tirón. Una idea prometedora son las baterías de litio-aire, que utilizan el oxígeno del aire como componente principal. Pero esta nueva batería requerirá una renovación total de la química interna, y necesitará un nuevo y potente catalizador para que funcione. Una batería de litio-aire funciona combinando átomos de litio y oxígeno y separándolos después, una y otra vez. Esa es una situación hecha a medida para un catalizador, y uno bueno haría la reacción más rápida y haría la batería más eficiente.

¿Cómo se hace un nuevo catalizador?

Entender la química que hay detrás de las reacciones es el primer paso; después, los científicos pueden utilizar la modelización para diseñar posibles nuevos catalizadores y probarlos en el laboratorio. Pero ese primer paso es difícil a menos que se pueda bajar al nivel atómico para ver lo que ocurre durante una reacción. Aquí es donde brillan las grandes instalaciones científicas como la Fuente Avanzada de Fotones (APS) de Argonne.

En la APS, los científicos pueden utilizar los rayos X más brillantes de Estados Unidos para seguir las reacciones en tiempo real. En el Centro de Microscopía Electrónica del laboratorio, los investigadores toman fotos de los átomos mientras reaccionan. Curtiss y su equipo han utilizado ambos métodos en su búsqueda de mejores catalizadores.