Nuevos materiales y nuevas alternativas energéticas

    Dos de las áreas del conocimiento químico que han experimentado un más significativo desarrollo en los últimos años son la de los llamados nuevos materiales y las investigaciones sobre las posibles alternativas energéticas al consumo de combustibles fósiles, incluidos en una fuente que, además de constituir uno de los elementos preponderantes en la contaminación de la atmósfera, es limitada en lo que a su disponibilidad se refiere, por lo que esta abocada al agotamiento en el marco de un periodo más o menos largo. Para los más pesimistas el plazo es de unas pocas décadas, mientras que puede ser de algunas más para los que confían en el hallazgo de nuevos grandes yacimientos.

    Los investigadores de estas ramas de la ingeniería química abordan en este contexto dos líneas de desarrollo. La química de los nuevos materiales, en la que se manejan nociones que hace apenas unos años podrían ser evocadoras del lenguaje de la ciencia–ficción, como material inteligente, nanotecnología o procesos biomiméticos, parece orientada hacia el progreso tecnológico más avanzado. Por el contrario, la investigación de nuevas fuentes de energía viene determinada por un escenario futuro del que no se conocen con precisión los perfiles y que, precisamente por ello, constituye un desafío de singular alcance para la ciencia química.

    Los nuevos materiales

    La química de materiales tradicionales ha manejado siempre conceptos tales como materiales cristalinos, metales, polímeros, materiales vítreos o semiconductores. Sin embargo, en la tecnología química de los últimos años se ha introducido una serie de nociones que, por su carácter innovador, han definido un área del conocimiento químico a la que se ha designado de manera genérica como de química de los nuevos materiales. Dentro de ella, se diferencian como elementos más destacados los llamados nanomateriales, los materiales inteligentes y los biomiméticos, categorías que muchas veces pueden solaparse.

    El dibujo esquematiza los pasos de inserción de una endoprótesis vascular que, en los realizados con materiales inteligentes, se desarrolla de forma espontánea.

    La nanotecnología

    La nanotecnología engloba todo el conjunto de técnicas que se emplean para la fabricación de estructuras de dimensiones moleculares y que pueden conformarse átomo a átomo. El término procede de la unidad de medida que se usa para el desarrollo de tales estructuras, que es el nanómetro, la millonésima parte de un milímetro (10–9 m). Entre las primeras estructuras que se emplearon en el campo de los nanomateriales cabe citar los nanotubos, estructuras tubulares de magnitud nanométrica que pueden ser, entre otros, de carbono, de nitruro de boro y de silicio.

    Aunque en la primera década del siglo XXI las aplicaciones de los nanomateriales aún eran relativamente limitadas, los estudios proyectivos realizados en numerosas universidades determinaban un prometedor futuro para esta tecnología en áreas tales como el tratamiento de aguas residuales o la descontaminación de suelos, la consecución de nuevos materiales de aplicación aeroespacial o la prevención de enfermedades. En este campo biomédico, en 2006 fue presentado por la empresa estadounidense Nanosphere un detector de proteínas y ADN desarrollado mediante nanotecnología, cuya ultrasensibilidad permite detectar enfermedades infecciosas y genéticas como el infarto de miocardio o el mal de Alzheimer.

    Materiales inteligentes y biomiméticos

    Los materiales inteligentes, o multifuncionales, conforman un área de atención preferente de la comunidad científica actual. En buena parte se proyectan sobre bases nanotecnológicas y muchos de ellos se plantean también emulando a los sistemas biológicos, por medio de sensores y dispositivos de control, es decir, a partir de criterios biomiméticos. A modo de ejemplo, cabe citar las investigaciones realizadas en 2006, tomando como modelo el hilo de las telas de araña, con propiedades de resistencia y elasticidad muy superiores a las de cualquier fibra conocida y sobre el que se abordan proyectos de diseño de blindajes para vehículos o de suturas para neurocirugía.

    El principal rasgo de identidad de este tipo de materiales es la adecuación espontánea de sus propiedades a las variaciones de las condiciones externas. En este marco se distinguen varios tipos de materiales, como los electro y magnetoactivos, que cambian de dimensiones bajo la acción de campos eléctricos o magnéticos; los fotoactivos, que varían sus propiedades en función de la mayor o menor intensidad de la luz que reciben o que pueden emitir luz al modificarse el medio externo; los cromoactivos, en los que las alteraciones del entorno revierten en cambios de color, y los materiales con memoria, de forma que recuperan por sí mismos su estructura original después de ser sometidos a deformaciones.

    Algunas de las líneas de investigación que se desarrollan actualmente son los materiales que se autorrefuerzan y sellan sus grietas, de gran interés en construcción las láminas metálicas con memoria de forma que permiten, por ejemplo, la recuperación del aspecto original de la chapa de los automóviles tras un accidente. En el ámbito clínico, destaca la elaboración de endoprótesis coronarias inteligentes. Las endoprótesis son pequeñas cánulas de malla metálica que se insertan en la luz de las arterias obstruidas y que, fabricados con este tipo de materiales, se incorporarán directamente en el vaso afectado, eliminando así los efectos de la obstrucción.

    Nuevas opciones energéticas

    Más del 80 % de la energía consumida a escala global procede actualmente de los combustibles fósiles, compuestos orgánicos extraídos del subsuelo y destinados a generar energía a partir de su combustión. Son esencialmente, el carbón, el petróleo y sus derivados y el gas natural.

    La combustión de derivados petrolíferos es una de las fuentes más importantes de contaminación. Por otra parte, las reservas de este tipo de fuentes de energía se reducen a tal velocidad, que, si el ritmo de consumo se mantiene como hasta ahora, los yacimientos de petróleo y gas se agotarán en un plazo variable según las estimaciones, pero que no será en cualquier caso superior a algunas décadas.

    En consecuencia, investigadores de diferentes ramas de la ciencia han venido desarrollando en los últimos años una amplia diversidad de tecnologías destinadas, por un parte, a reducir los niveles de contaminación generados por los combustibles fósiles, y, por otra, a desarrollar opciones energéticas que se constituyan en alternativas a ellos.

    Alternativas a la energía eléctrica de origen fósil

    La energía eléctrica producida por combustibles fósiles es la generada por las centrales térmicas alimentadas con carbón, gasóleo y gas, y principalmente es la que mayores niveles de contaminación genera. Otra fuente de energía eléctrica cuantitativamente importante la constituyen las centrales nucleares, que no tienen efectos directos sobre la atmósfera, pero que plantean el problema de la gestión y almacenamiento de los residuos radiactivos que originan. Además son un motivo reiterado de polémica social como consecuencia del riesgo derivado de posibles accidentes como el de la central de Chernobil, en la actual Ucrania, en 1986, y otros de menores consecuencias para la población y el entorno, como los de Three Mile Island, en Pensilvania, Estados Unidos, en 1979, o el de Tokaimura, Japón, en 1999.

    Actualmente, las energías alternativas renovables y limpias son esencialmente cinco: la hidroeléctrica, en la que la energía se obtiene a partir de la caída de agua de un nivel superior a otro inferior, que impulsa el movimiento de turbinas generadoras; la eólica, producida por el viento; la solar, energía radiante del Sol, encauzada a través de dispositivos colectores llamados paneles solares y que puede ser térmica o eléctrica (solar fotovoltaica); la geotérmica, derivada del calor interior de la Tierra, y la de la biomasa, procedente de madera, estiércol y productos residuales de la agricultura.

    Brasil es uno de los países en los que cuenta con mayor arraigo el uso de biocarburantes. En la imagen, estación de servicio con una unidad de repostaje de bioetanol, en Río de Janeiro.

    Precisamente dentro de esta última área se centran algunas de las líneas de investigación sobre nuevos combustibles, que constituye una de las áreas de proyección de la ciencia química ante el reto energético del siglo XXI.

    Los nuevos combustibles

    Aunque ya existían precedentes como la generalización del etanol como combustible, en Brasil, en el marco del llamado proyecto Bioalcool, desarrollado en la década de 1970, a partir del año 2000 comenzaron a generalizarse los estudios para el aprovechamiento de biocarburantes, menos contaminantes que los fósiles. En este contexto, se diversificaron numerosas variedades como el bioetanol, obtenido de plantas con alto contenido en azúcares, el biodiésel, análogo al gasóleo, fabricado con aceites y biomasa, o el biogás, que se obtiene por fermentación anaerobia de materia orgánica, producida por bacterias.

    La comunidad científica parece mostrarse de acuerdo en señalar al hidrógeno como la fuente de energía destinada a reemplazar al carbón, el petróleo y el gas a medida que la disponibilidad de estos combustibles vaya reduciéndose.

    Se trata de un elemento químico que, aunque en estado libre no se halla en grandes cantidades, está disponible en compuestos como el agua o los carbohidratos, y que presenta como ventaja esencial su condición no contaminante.

    La generalización del uso de estos nuevos combustibles requiere también el replanteamiento del funcionamiento de los motores. El motor eléctrico es la opción más aconsejable desde el punto de vista ambiental, aunque lo limitado de su autonomía y su alto coste ha dado prevalencia a los motores híbridos, que combinan las propiedades de los motores térmicos normales y de los eléctricos. Por su parte, la pila de combustible, o pila de hidrógeno, que genera y almacena electricidad a partir de una reacción entre el hidrógeno y el oxígeno del aire y sólo emite vapor de agua como gas de escape, parece perfilarse como la opción más prometedora en este innovador terreno, si bien los altos costes de su producción aún requieren un notable esfuerzo de investigación para que los distintos prototipos presentados en la década de 2000 puedan convertirse en modelos de serie.

    Cabe por último mencionar las reservas submarinas de hidratos de gas, también llamadas de hielo inflamable. Se trata de gases solidificados (fundamentalmente metano), presentes en la mayor parte de los mares y que son considerados por la comunidad científica como una posible fuente alternativa al gas natural fósil.