De niño, mientras crecía en Ciudad de México, Yuriy Román sentía curiosidad por saber cómo funcionaban las cosas. Iba al patio trasero y mezclaba productos químicos con los detergentes que su madre usaba para lavar la ropa, para intentar entender por qué algunas combinaciones funcionaban y otras no. Su trayectoria académica, impulsada en parte por su interés en la sostenibilidad, lo llevó a realizar estudios de posgrado en el laboratorio del profesor James Dumesic, en la Universidad de Wisconsin-Madison. Dumesic es uno de los principales investigadores del mundo en el campo de los biocombustibles y la química de la biomasa.
Hoy, Román dirige un grupo de investigación en el Departamento de Ingeniería Química del MIT. El núcleo de su investigación es la conversión catalítica de las partes no comestibles de la materia vegetal, como la celulosa y la lignina, en sustancias químicas útiles para fabricar combustibles y productos como plásticos, adhesivos, lubricantes, detergentes, fertilizantes y productos farmacéuticos. Los catalizadores son materiales que inducen o aceleran reacciones químicas y, a menudo, son la clave para que los procesos químicos sean viables a escala industrial. Durante décadas, la investigación y el desarrollo de catalizadores se han centrado en hacerlos más rápidos y baratos. Cuanto más activo es el material catalítico, más rápidas son las reacciones químicas. Y cuanto más barato es el material catalítico, menor es el costo del producto final de esas reacciones.
Pero, ante el cambio climático y la transformación de la economía de los combustibles fósiles, existe una necesidad apremiante de cambiar la manera en que el mundo produce y utiliza catalizadores. En lugar de centrarse solo en la velocidad y el costo, el campo de la catálisis debe incorporar versatilidad y eficiencia, afirma Román. El impulso por utilizar plantas en lugar de combustibles fósiles como materia prima implica que los materiales catalíticos empleados para procesar productos petroquímicos deben adaptarse —o deben desarrollarse otros completamente nuevos— para trabajar con biomasa. Además, los procesos deben ser lo más eficientes posible para minimizar los residuos, dice Román. «Cuando normalmente usamos los catalizadores que habíamos desarrollado para productos petroquímicos, podemos llevar a cabo algunas de estas transformaciones, pero nunca son tan eficaces ni tan eficientes, y los materiales nunca son tan estables».
Uno de los avances recientes del grupo de Román reformuló un proceso que tradicionalmente requería varias etapas y utilizaba metales preciosos y gas hidrógeno a alta presión para convertir la materia vegetal en g-valerolactona, una sustancia química que se utiliza para fabricar combustibles y polímeros. El nuevo proceso se realiza en una sola etapa y prescinde del uso de metales preciosos y gas hidrógeno. La clave fue introducir cantidades ínfimas de un ácido en los poros microscópicos de un material muy poroso. La acción del ácido eliminó la necesidad de gas hidrógeno.
El desafío para encontrar catalizadores eficaces para procesar biomasa es que estos procesos siempre implican agua y, en este caso, el agua deteriora el ácido. Gracias a sus conocimientos de ingeniería de materiales, el equipo de Román ajustó los poros del material para que repelieran el agua. «Se puede empezar a realizar parte de esta química —esta química basada en ácidos de Lewis— en presencia de agua», afirma Román. «La usamos para procesar distintos tipos de materias primas derivadas de la biomasa y producir nuevos tipos de sustancias químicas».
Román sabía que, si quería cambiar el futuro de la catálisis, tendría que cruzar algunas fronteras, en particular la que separa la ingeniería química de la ciencia de los materiales. Antes de llegar al MIT, Román se incorporó al laboratorio del profesor Mark Davis, de Caltech, donde realizó investigaciones de vanguardia sobre la producción y el análisis de materiales microporosos y mesoporosos, tipos de materiales que se utilizan habitualmente como catalizadores.
Desarrollar catalizadores solía significar realizar estudios cinéticos y de reactividad, propios de la ingeniería química tradicional. Ahora, la investigación de vanguardia en catálisis requiere herramientas y conocimientos de diversas disciplinas, como la espectroscopia, el diseño de materiales y la modelización computacional. «Las fronteras entre los distintos campos se están desdibujando, y creo que es muy importante aceptar esta realidad», afirma Román. «Siento que esto es muy propio del MIT: las barreras para interactuar con personas de distintos departamentos son bajas», dice. «A medida que empecemos a trabajar en las interfaces entre campos, deberíamos empezar a ver nuevos descubrimientos revolucionarios».
Publicado en colaboración con MIT News
Autor: Eric Smalley es escritor y editor independiente.
Imagen: Una excavadora con pala carga lodos sólidos de aguas residuales en un camión, que distribuye los lodos en el campo. Flickr: SuSanA.
