Por primera vez, un grupo de químicos ha logrado diseñar un catalizador que se activa mediante la aplicación de una tensión mecánica. Estos catalizadores, incrustados dentro de una capa de material auto-reparador, serían capaces de iniciar reacciones reparadoras al detectar arañazos o tensión. También podrían aplicarse de forma industrial para mejorar la producción de plásticos, fármacos y otro tipo de substancias.

Los catalizadores activados de forma mecánica han sido diseñados por Rint Sijbesma, profesor de química en la Universidad de Tecnología de Eindhoven, Holanda, y hoy aparecen descritos en la publicación Nature Chemistry. Algunos de los catalizadores ya existentes se pueden activar mediante la aplicación de calor o pulsos de luz, lo que permite a los químicos tener un mayor control sobre el desarrollo de las reacciones químicas. Pero los nuevos catalizadores son el primer ejemplo de catalizador activado mediante la aplicación de tensión mecánica.

Los catalizadores de Sijbesma se aprovechan de una propiedad existente en los polímeros y que es conocida por los químicos desde hace muchos años. Cuando los polímeros se exponen a una fuerza lo suficientemente grande, sobre ellos se produce un tipo de tensión que hace que los enlaces químicos se rompan. Sin embargo, es difícil controlar el lugar exacto por donde el enlace se rompe. Sijbesma diseñó un polímero a base de carbono que contenía dos catalizadores unidos por un átomo de metal. En este estado, el catalizadore está inactivo. El enlace entre el carbono y el metal es el más débil dentro del polímero, y es el primero en romperse en cuanto se le aplica tensión. Esto hace que se produzcan áreas de catalización activas.

“La unión entre la energía mecánica y la química está menos desarrollada que, por poner un ejemplo, la energía fotoquímica, la termal o la eléctrica,” señala Jeffrey Moore, profesor de química en la Universidad de Illinois, en Urbana-Champaign (Estados Unidos). En 2007, Moore fue el primero en demostrar una reacción diseñada para ser iniciada a partir de la aplicación de tensión mecánica. Pero esta reacción no llevaba consigo un catalizador y sólo podía darse una vez. Una vez que el catalizador de Sijbesma está activado, puede llevar a cabo reacciones una y otra vez. “Es muy poco frecuente que conceptos químicos de una naturaleza tan fundamental como este sean descubiertos y demostrados,” afirma Moore.

Los investigadores de Eindhoven demostraron la activación mecánica de los catalizadores aplicada a varias de las reacciones más conocidas, incluyendo la que se usa en la síntesis de los biocombustibles, la aplicada al cierre de los anillos de carbono durante la producción de fármacos, y otra mediante la que se abren dichos anillos para la fabricación de plásticos de larga duración.

“Esta es una interesante aplicación de las técnicas mecanico-químicas,” comenta Robert Grubbs, profesor de química en Caltech y ganador del Premio Nobel de Química en 2005, y que no estuvo involucrado en el estudio llevado a cabo por Eindhoven. En principio, esta técnica podría encontrar aplicaciones en el campo de la catálisis, señala Grubbs. Cuantas más herramientas tengan los químicos para pulir el desarrollo de las reacciones, tanto más eficiente será la producción química, afirma Alshakim Nelson, químico en el Centro de Investigación Almaden de IBM. “Nos permite hacer ajustes más precisos,” comenta.

Sijbesma señala que los primeros usos que se le den al catalizador probablemente sean dentro de los materiales auto-reparadores y los sensores de tensión. “La presencia de demasiada tensión en un material es un indicador de que dicho material está a punto de fallar,” afirma. “Nuestro catalizador, que es capaz de percibir la tensión, puede reaccionar a partir de esta señal y provocar una reacción de polimerización que refuerce el material justo en el lugar y momento en que sea necesario.” Las capas de material auto-reparador ayudarían a prevenir el oxido en coches, barcos y puentes, sin necesidad de llevar a cabo aplicaciones de forma frecuente.

Moore advierte que pese al atractivo de este estudio, aún se encuentra en una fase prematura. Los catalizadores se demostraron en una solución líquida, y la tensión mecánica se aplicó a partir de pulsos de ultrasonido. “Todavía hay un gran camino que recorrer entre la activación por ultrasonido dentro de una solución y el desarrollo de un material que responda a impulsos mecánicos,” señala Moore.