Catalizadores artificiales inspirados en enzimas de organismos vivos

Publicado 05/08/2019 18:00:13CET
Recreación artística del nuevo catalizador
Recreación artística del nuevo catalizadorGREGORY STEWART / SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABOR

   MADRID, 5 Ago. (EUROPA PRESS) -

   Un nuevo catalizador sintético produce productos químicos de forma muy similar a las enzimas en los organismos vivos, que se encargan de acelerar las reacciones bioquímicas que son esenciales para la vida.

   Los científicos han pasado décadas tratando de crear enzimas artificiales capaces de producir productos químicos y combustibles importantes a escala industrial con un rendimiento que rivaliza con sus contrapartes naturales.

   En un estudio publicado en 'Nature Catalysis', los investigadores de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC dicen que su descubrimiento podría conducir a catalizadores industriales capaces de producir metanol utilizando menos energía y a un costo menor.

   El metanol tiene una variedad de aplicaciones, y existe una creciente demanda de su uso como combustible con menos emisiones que la gasolina convencional. "Nos inspiramos en la naturaleza --explica el autor principal Matteo Cargnello, profesor asistente de ingeniería química en Stanford--. Queríamos imitar la función de las enzimas naturales en el laboratorio utilizando catalizadores artificiales para hacer compuestos útiles".

   Para el experimento, los investigadores diseñaron un catalizador hecho de nanocristales de paladio, un metal precioso, incrustado en capas de polímeros porosos diseñados con propiedades catalíticas especiales. La mayoría de las enzimas proteicas que se encuentran en la naturaleza también tienen trazas de metales, como el zinc y el hierro, incrustados en su núcleo.

   Los investigadores pudieron observar trazas de paladio en sus catalizadores con imágenes microscópicas electrónicas del coautor Andrew Herzing, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.

   "Nos centramos en un modelo de reacción química: convertir el monóxido de carbono tóxico y el oxígeno en dióxido de carbono (CO2) --explica el estudiante de doctorado Andrew Riscoe, autor principal del estudio--. Nuestro objetivo era ver si el catalizador artificial funcionaría como una enzima al acelerar la reacción y controlar la forma en que se produce el CO2".

   Para averiguarlo, Riscoe colocó el catalizador en un tubo reactor con un flujo continuo de monóxido de carbono y gas oxígeno. Cuando el tubo se calentó a aproximadamente 150 grados, el catalizador comenzó a generar el producto deseado, dióxido de carbono.

   Los rayos X de alta energía del Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) en SLAC revelaron que el catalizador tenía rasgos similares a los observados en las enzimas: los nanocristales de paladio dentro del catalizador reaccionaban continuamente con oxígeno y monóxido de carbono para producir dióxido de carbono. Y algunas de las moléculas de dióxido de carbono recién formadas quedaron atrapadas en las capas externas de polímero al escapar de los nanocristales.

   "Los rayos X mostraron que una vez que las capas de polímero se llenaron de CO2, la reacción se detuvo --explica Cargnello, afiliado de la Stanford Natural Gas Initiative (NGI)--. Esto es importante, porque es la misma estrategia utilizada por las enzimas. Cuando una enzima produce demasiado producto, deja de funcionar porque el producto ya no es necesario. Demostramos que también podemos regular la producción de CO2 controlando el composición química de las capas de polímero. Este enfoque podría afectar muchas áreas de catálisis".

   Con el éxito del experimento de dióxido de carbono, Cargnello y sus colegas han centrado su atención en convertir el metano, el ingrediente principal del gas natural, en metanol, un químico ampliamente utilizado en textiles, plásticos y pinturas. El metanol también se ha promocionado como una alternativa más barata y limpia al combustible de gasolina.

   "La capacidad de convertir metano en metanol a bajas temperaturas se considera un santo grial de catálisis --añade Cargnello--. Nuestro objetivo a largo plazo es construir un catalizador que se comporte como metano monooxoygenase, una enzima natural que ciertos microbios usan para metabolizar el metano".

   Actualmente, la mayor parte del metanol se produce en un proceso de dos pasos que consiste en calentar el gas natural a temperaturas de aproximadamente 1.000 grados. Pero este proceso intensivo en energía emite una gran cantidad de dióxido de carbono, un potente gas de efecto invernadero que contribuye al cambio climático global.

   "Un catalizador artificial que convierte directamente el metano en metanol requeriría temperaturas mucho más bajas y emitiría mucho menos CO2 --añade Riscoe--. Idealmente, también podríamos controlar los productos de la reacción diseñando capas de polímeros que atrapen el metanol antes de que se queme".

   "En este trabajo, demostramos que podemos preparar materiales híbridos hechos de polímeros y nanocristales metálicos que tienen ciertos rasgos típicos de la actividad enzimática --concluye Cargnello, quien también está afiliado al Centro SUNCAT de Ciencias de Interfaz y Catálisis de Stanford--. La parte emocionante es que podemos aplicar estos materiales a muchos sistemas, ayudándonos a comprender mejor los detalles del proceso catalítico y acercándonos un paso más a las enzimas artificiales".

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