Al mirar atrás, una carrera científica siempre estuvo en mis planes. Cuando tenía unos cuatro años, para portarme bien, quería que me dejaran sumar muchos números. Crecí en el oeste de Sídney, donde no teníamos mucho, y una carrera universitaria larga no encajaba demasiado con nuestro presupuesto.
Lo que marcó la diferencia fue que mi madre decidiera que mi hermana y yo iríamos a la universidad pasara lo que pasara, aunque nadie de nuestra familia había ido antes.
Cuando me dirigía a la universidad, pensaba que sería matemático, pero resultó que no era lo bastante bueno. También disfrutaba mucho de la química, así que me puse la bata de laboratorio.
Mi doctorado en UNSW con Rob Lamb me entusiasmó con la idea de vincular la química fundamental con un problema aplicado: lo que estaba investigando algún día podría ser útil fuera del laboratorio.
Cuando me incorporé a CSIRO, Anita Hill ya trabajaba muy bien con materiales porosos: nos interesaba cualquier cosa que tuviera muchos agujeros. Tenía sentido trabajar con lo que más agujeros tenía; era la mejor manera de abrir nuevos caminos.
Los marcos metal-orgánicos, o MOF, son átomos metálicos unidos entre sí por enlazadores orgánicos. Cuando la química es la adecuada, forman una estructura que parece el armazón de un edificio. Por fuera, parecen un cristal de azúcar o de sal, pero por dentro, cada átomo de la estructura está expuesto a un espacio vacío, lo que significa que hasta un 80 % del cristal está vacío: no contiene nada.
Todos esos átomos del interior de la estructura expuestos al espacio vacío generan una enorme superficie. Muchos MOF tienen más de 5.000 metros cuadrados de superficie por gramo: es como tener un campo de fútbol dentro de una cucharadita de polvo.
Al principio me inspiraron químicos como Richard Robson y Jeff Long que habían demostrado que se podía usar toda esa superficie como una esponja.
Por ejemplo, es posible absorber gas natural en un MOF. Si se introduce este polvo en un tanque, resulta que se puede almacenar muchas veces más gas en el mismo espacio que si se comprimiera: el efecto esponja es así de potente. Así, un coche propulsado por gas natural, que podría ser más barato y limpio, podría llevar suficiente gas para recorrer la misma distancia que uno de gasolina.
Mi equipo y yo diseñamos MOF para almacenar enormes cantidades de hidrógeno y combustible de gas natural , y también para capturar dióxido de carbono en cantidades masivas.
Incluso fabricamos una esponja de MOF que podía exprimirse sola al exponerse al sol. La mayor parte de la energía utilizada para capturar dióxido de carbono se destina a regenerar el material de captura, por lo que usar la luz solar es una alternativa atractiva.
Otra característica de los MOF es que todos los poros tienen el mismo tamaño. Como en un tamiz de harina, los poros pueden separar lo grande de lo pequeño. Me interesaba, pero no sabía mucho del tema, así que tuve la suerte de que Rich Noble de la Universidad de Colorado Boulder me permitiera visitarlo durante un tiempo para aprender.
Pensábamos que añadir estos polvos de MOF a membranas poliméricas —láminas delgadas de plástico— ayudaría a que un gas atravesara la membrana más rápido que otro. Es la mejor manera de preparar el gas natural, el oxígeno o el agua para que podamos utilizarlos.
Efectivamente, observamos una mejora, pero también descubrimos por casualidad un efecto aún más emocionante. Estas láminas de plástico no duran mucho: se pliegan sobre sí mismas; envejecen. Al cabo de unas semanas, los gases ya no las atraviesan tan rápido.
Descubrimos que un MOF específico parecía formar una mezcla especial que mantenía abiertas las láminas y hacía que duraran años en lugar de semanas. Hoy estamos desarrollando estas membranas antienvejecimiento para una amplia gama de aplicaciones, desde la defensa hasta la agricultura y la energía.
Cuando empecé, fabricar una cucharadita de MOF era una tarea enorme. Sabíamos que nunca serían útiles a menos que se pudieran producir grandes cantidades de manera eficiente.
Con Tash Polyzos redujimos los tiempos de reacción de 72 horas a 1,2 minutos mediante la química de flujo continuo.
Este es el futuro de la síntesis química porque las reacciones ocurren más rápido y de forma más limpia, y supuso un cambio radical para los MOF.
Ahora podemos fabricar MOF para una infinidad de usos y, además, producir suficientes para que valga la pena.
Publicado en colaboración con The Conversation
Autor: El Dr. Matthew Hill, de la organización científica nacional australiana CSIRO, es el ganador del Premio Malcolm McIntosh al Científico Físico del Año, uno de los Premios del Primer Ministro a la Ciencia.
Imagen: El Dr. Matthew Hill, de CSIRO, sostiene un modelo químico. Imagen cedida por Wildbear.
