Descubrimientos químicos en los últimos años

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Superátomos Capaces de Imitar Elementos de la Tabla Periódica

Tres investigadores han demostrado que ciertas combinaciones de átomos elementales tienen firmas electrónicas que imitan las firmas electrónicas de otros elementos. Según el jefe del equipo, A. Welford Castleman Jr., de la Universidad Estatal de Pensilvania, el hallazgo podría llevar a materiales mucho más baratos para numerosas aplicaciones, tales como sistemas de aprovechamiento de energía, métodos para mitigar la polución, y catalizadores para procesamiento químico de los que dependen considerablemente diversos sectores industriales.


Los investigadores también han demostrado que los átomos que han sido identificados hasta ahora en estas combinaciones raras pueden ser predichos mirando simplemente la tabla periódica. El equipo se valió de nociones teóricas y experimentos avanzados para cuantificar estos nuevos e inesperados resultados. "Estamos obteniendo una nueva perspectiva de la tabla periódica", subraya Castleman.

Castleman y su equipo, que incluye a Samuel Peppernick (actualmente en el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste) y Dasitha Gunaratne de la Universidad Estatal de Pensilvania, usaron una técnica sofisticada para examinar las similitudes entre el monóxido de titanio y el níquel, entre el monóxido de circonio y el paladio, y entre el carburo de tungsteno y el platino.

Descubrimientos químicos en los últimos años
Los investigadores han comprobado que la cantidad de energía necesaria para extraer los electrones de una molécula de monóxido de titanio es igual a la cantidad de energía que se requiere para quitar los electrones de un átomo de níquel. Lo mismo sucede con el monóxido de circonio y el paladio, y con el carburo de tungsteno y el platino. La clave es que todos los pares están integrados por sustancias cuyos átomos tienen la misma configuración de electrones.

Las moléculas de monóxido de titanio, monóxido de circonio, y carburo de tungsteno son los superátomos del níquel, el paladio y el platino, respectivamente. Los superátomos son racimos de átomos que exhiben alguna propiedad de los átomos elementales.

En trabajos previos llevados a cabo en el laboratorio de Castleman, ya se investigó la noción de los superátomos. Uno de los experimentos anteriores de Castleman mostró que un racimo de 13 átomos de aluminio se comporta como un átomo de yodo. Otras operaciones, como por ejemplo añadir un electrón y luego un átomo, provocan transformaciones igual de asombrosas.


Un paso hacia la posibilidad de crear un líquido superconductor

El litio es el primer metal en la tabla periódica y el elemento sólido menos denso a temperatura ambiente. Se le conoce sobre todo por su uso en pilas para aparatos electrónicos de uso común, como los teléfonos móviles y los ordenadores portátiles. Ahora, un equipo de investigación ha conseguido demostrar que el litio, cuando es sometido a una intensa presión, adquiere propiedades insólitas.
ciencia
Con sólo tres electrones por átomo, el litio debería comportarse como un metal simple. Sin embargo, esta investigación ha demostrado que bajo una presión de entre aproximadamente 395.000 y 592.000 atmósferas, el litio se comporta de una forma que no tiene nada de simple. La alta presión no sólo hace que se vuelva un líquido a temperatura ambiente, sino que entonces impide que se congele hasta que la temperatura alcanza unos 80 grados centígrados bajo cero. A presiones por encima de 592.000 atmósferas aproximadamente, cuando el litio se acaba solidificando, se encuentra dentro de una gama de estados cristalinos muy complejos. La presión más alta alcanzada en el estudio fue de casi 1,3 millones de atmósferas.
Azúcar y Herbicida, Inesperada Base Para una Célula de Combustible Limpio

Unos investigadores de la Universidad Brigham Young han desarrollado una célula de combustible, básicamente una batería con un tanque de gas, que obtiene electricidad de la glucosa y otros azúcares del grupo de los carbohidratos. El catalizador de esta célula es un herbicida común.

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Así pues, la fuente de energía preferida del cuerpo humano podría algún día producir electricidad para nuestros aparatos, vehículos y hogares.

“Los carbohidratos son ricos en energía”, subraya el profesor de química Gerald Watt, de la Universidad Brigham Young. “Necesitábamos un catalizador que extrajera los electrones de la glucosa y los transfiriera a un electrodo”.

Y la sorprendente solución resultó ser un herbicida común.

La efectividad de este herbicida barato y abundante es una gran ayuda para las células de combustible basadas en los carbohidratos, que pueden así ver aumentada su rentabilidad. En cambio, células de combustible basadas en el hidrógeno, como por ejemplo las de la compañía General Motors, necesitan al costoso platino como catalizador.

El próximo paso para el equipo de la universidad es aumentar la energía cosechada. Y esperan lograrlo mejorando el diseño, algo que ya está dando sus primeros frutos.

En los experimentos realizados, se ha logrado un promedio de conversión de un 29 por ciento, o la transferencia de 7 de los 24 electrones disponibles por cada molécula de glucosa.

“Demostramos que se puede obtener mucho más de la glucosa de lo que se ha conseguido hasta el momento”, explica Dean Wheeler, uno de los autores del estudio y profesor de ingeniería química en la Academia Fulton de Ingeniería y Tecnología, de la Universidad Brigham Young. “Ahora intentamos aumentar la densidad energética para que la tecnología sea más atractiva desde el punto de vista comercial”.
Una curiosidad sobre Gerald Watt es que es pariente de James Watt (1736-1819), el inventor de la máquina de vapor, por lo que la coincidencia de apellidos no es casual, ni quizá tampoco la de vocaciones en el campo de la energía.

Usar Energía Solar Para Convertir CO2 en Combustible

Unos químicos han demostrado la viabilidad de aprovechar la luz del Sol para transformar un gas de efecto invernadero en un producto útil. Ya han desarrollado un prototipo del dispositivo que captura energía solar, la convierte en energía eléctrica, y "divide" el dióxido de carbono en monóxido de carbono (CO) y oxígeno.

El trabajo ha sido realizado por Clifford Kubiak y Aaron Sathrum, de la Universidad de California en San Diego.

Como su dispositivo no está optimizado aún, todavía necesitan suministrarle energía adicional para que el proceso funcione. Sin embargo, esperan que sus resultados atraigan la atención sobre el prometedor método.
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Al separar el CO2, se genera CO, un importante producto químico industrial que normalmente se produce a partir del gas natural. De manera que separando el CO2 se puede, además de ahorrar combustible, producir un producto químico útil y reducir la presencia de un gas con efecto invernadero.

Aunque el monóxido de carbono es venenoso, tiene muchos usos. Se emplean muchísimas toneladas de él cada año para fabricar productos químicos de diverso tipo, incluyendo detergentes y plásticos. También puede convertirse en combustible líquido.

La tecnología de conversión del monóxido de carbono en combustible líquido ha estado disponible desde mucho tiempo atrás. Fue inventada en Alemania en la década de 1920. Los EE.UU. estuvieron muy interesados en esa tecnología durante la crisis energética de los años 70, pero al terminar la crisis se perdió el interés. Ahora se ha cerrado el círculo porque los crecientes precios del petróleo hacen económicamente competitivo convertir el CO en combustible.

El dispositivo, diseñado por Kubiak y Sathrum para dividir el dióxido de carbono, utiliza un semiconductor y dos capas delgadas de catalizadores. Se divide al dióxido de carbono para obtener monóxido de carbono y oxígeno en un proceso de tres pasos. El primer paso es la captura de fotones de energía solar por el semiconductor. El segundo paso es la conversión de energía luminosa en energía eléctrica por el semiconductor. El tercer paso es la aplicación de la energía eléctrica a los catalizadores. Los catalizadores convierten el dióxido de carbono en monóxido de carbono en un lado del dispositivo y en oxígeno en el otro lado.

Cables Orgánicos Con Capacidad de Autoensamblarse

Desde los marcapasos construidos con materiales que se asemejan tanto a los tejidos humanos que el cuerpo de un paciente no puede discernir la diferencia, hasta los dispositivos que imponen un desvío en la médula espinal dañada para restaurar la capacidad de movimiento a los miembros paralizados, las posibilidades presentadas por la electrónica orgánica parecen algo sacado de una novela de ciencia-ficción.
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Derivados de compuestos basados en el carbono (de ahí el término "orgánico", estos materiales electrónicos "blandos" son valorados como alternativas ligeras, flexibles y de fácil procesamiento, frente a los componentes electrónicos "duros" como los cables metálicos o los semiconductores de silicio. Y tal como sucede con la industria de los semiconductores, en la que se está llevando a cabo una intensa actividad de desarrollo de transistores más y más pequeños, también en el naciente sector de la electrónica orgánica están siendo ideadas maneras de encoger las dimensiones de sus dispositivos, para que puedan utilizarse mejor en las aplicaciones bioelectrónicas.

Con este fin, John D. Tovar y otros químicos de la Universidad Johns Hopkins han creado materiales electrónicos solubles en agua que pueden autoensamblarse espontáneamente en cables mucho más finos que un cabello humano.



Estos componentes son de un tamaño lo bastante pequeño como para poder asociarse íntimamente con las células, lo que los hace idóneos para aplicaciones biomédicas.

La vía de investigación que se abre ahora ante los científicos les llevará en los próximos años a comprobar si es posible usar estos materiales para conducir la corriente eléctrica en la escala nanométrica, y si se les puede utilizar para regular la comunicación entre células como un preludio para el rediseño de redes neuronales o las médulas espinales dañadas.

El equipo usó como modelo para su nuevo material los principios de autoensamblaje que subyacen en la formación de las placas de beta-amiloide, que son los depósitos proteicos frecuentemente asociados con la enfermedad de Alzheimer. Esto hace surgir otra posibilidad: que estos nuevos materiales electrónicos puedan en el futuro demostrar ser útiles para obtener imágenes de la formación de estas placas.

Hidrógeno Para Reducir la Fricción a Escala Atómica

Los científicos pueden estar un paso más cerca de comprender del todo las fuerzas atómicas que producen la fricción, gracias a un nuevo estudio en el cual se han detectado diferencias significativas en la fricción exhibida por superficies de diamante que habían sido recubiertas con diferentes isótopos de hidrógeno y luego fueron frotadas contra una pequeña punta cubierta con carbono.
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La investigación fue realizada por investigadores de la Universidad de Pensilvania, la Universidad de Houston y el Laboratorio Nacional de Argonne.

A los científicos les falta un modelo detallado de la fricción en la escala nanométrica y generalmente captan sólo sus causas en el ámbito atómico, que van desde reacciones químicas locales a interacciones electrónicas o resonancias fonónicas o vibracionales.

Para investigar esto último, los investigadores utilizaron superficies de diamante monocristalino recubiertas con capas de hidrógeno atómico o deuterio (un átomo de hidrógeno con un neutrón extra). Los diamantes cubiertos con deuterio presentaron las más bajas fuerzas de fricción debido a sus frecuencias vibratorias más bajas, hecho que los científicos atribuyen a la mayor masa de ese isótopo. También han observado la misma tendencia en un sustrato de silicio estructuralmente similar al diamante.

En anteriores intentos de cubrir las superficies de diamante con hidrógeno, se recurrió al uso de plasmas, lo que tendía a producir una acción corrosiva sobre el material.

Anirudha Sumant (del Laboratorio de Argonne) y sus colegas habían estudiado diversas formas para intentar evitar esa acción corrosiva. Sin embargo, ningún método había proporcionado una capa lisa de hidrógeno libre de defectos, con una buena cobertura que evitaría la generación de ruido de fondo.
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Sin embargo, mientras trabajaba en la Universidad de Wisconsin-Madison, Sumant desarrolló un sistema para depositar películas delgadas sobre el diamante. La técnica implica calentar un filamento de tungsteno (como los presentes en las bombillas incandescentes) por encima de 2.000 grados Celsius.

Si la película de diamante se expone a un flujo de hidrógeno molecular mientras se encuentra a una distancia no mayor de un centímetro del filamento caliente, el calor hará que el hidrógeno molecular se descomponga en hidrógeno atómico que reaccionará con la superficie de la película para crear una capa perfectamente lisa. Dado que este método no requiere del uso de plasma, no hay peligro de que se produzca la acción corrosiva inducida por los iones.

Sumant espera utilizar el conocimiento obtenido del experimento para descubrir en el futuro un modo de manipular la fricción entre las superficies, en el ámbito atómico. Tal resultado sería muy valioso para el desarrollo de los sistemas nanoelectromecánicos basados en diamantes, uno de los intereses principales que tienen las investigaciones de Sumant en el Centro de Argonne para los Materiales Nanométricos.

1 comentario - Descubrimientos químicos en los últimos años

@guillelink
Has ayudado a humanos y a dinosaurios a hacer su tarea de quimica
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