L’any 2011 serà recordat per la majoria de químics com el de la celebració de l’Any Internacional de la Química, promogut per les Nacions Unides amb la intenció de mostrar a la societat la importància de la química per al desenvolupament de la humanitat. A banda dels esdeveniments organitzats aquest any per diferents institucions, universitats i centres de recerca per donar a conèixer les principals línies de treball que s’estan desenvolupant actualment en química, cal destacar els avenços realitzats en dos camps molt diferents: la paleobioquímica i la síntesi de materials híbrids. En el primer cas, sorprenen els avenços que hi ha hagut en les tècniques experimentals en les darreres dècades, que han fet possible la síntesi d’enzims corresponents a organismes extingits fa més de 4.000 milions d’anys. En el segon cas, s’ha aconseguit crear materials que combinen les característiques de dos àmbits de la química aparentment irreconciliables: la subtilesa de la síntesi de compostos orgànics amb l’aproximació més enèrgica a l’obtenció de materials pròpia de la metal·lúrgia.
2011: l’Any Internacional de la Química
Logotip de l’Any Internacional de la Química
© Societat Catalana de Químics / IYC
L’any 2011 va ser proclamat de manera oficial l’Any Internacional de la Química. La proposta va sorgir en un principi de l’Assemblea de les Nacions Unides, el 30 de desembre de 2008, que va delegar en la UNESCO i en la IUPAC (la Unió Internacional de Química Pura i Aplicada) la preparació i l’organització dels actes i reunions que es van anar celebrant arreu del món.
Com que aquest 2011 es va complir també el centenari del premi Nobel que es va lliurar a Marie Curie, es va aprofitar l’oportunitat per recordar no solament la seva contribució a la ciència sinó també la d’altres dones científiques, la tasca de les quals ha passat sovint de manera desapercebuda.
Seguint les consignes dels organitzadors de donar rellevància al paper de la química com a ciència central, tant en el coneixement del món que ens envolta com en la solució de molts dels problemes actuals de la humanitat, tots els químics van participar activament durant l’any en les múltiples activitats que es van desenvolupar arreu del planeta.
A Catalunya, la Societat Catalana de Química va participar de manera activa amb múltiples propostes. Entre d’altres, va editar un calendari dedicat als elements químics i es van celebrar nombroses conferències i actes divulgatius a tots els nivells per explicar el paper dels químics en el món actual, intentant incrementar l’interès dels joves per la química i generar l’entusiasme necessari per a un futur creatiu en el camp d’aquesta ciència.
Paleobioquímica
La paleobioquímica, l’estudi dels processos bioquímics dels organismes que van viure en el passat geològic, es veu enormement limitada per l’absència de matèria orgànica en el registre fòssil. De fet, a excepció d’alguns fragments d’ADN d’organismes conservats en ambre, gel o torba, es coneixen molts pocs “fòssils moleculars” que permetin reconstruir els gens o els enzims d’espècies extingides fa temps.
A partir dels fragments d’ADN conservats en fòssils s’han “ressuscitat” els gens ancestrals per poder estudiar-los més exhaustivament
© Didier Desouens
No obstant això, per sobrepassar aquesta limitació, s’han ideat tècniques que permeten “ressuscitar” gens ancestrals que es poden incloure posteriorment mitjançant tècniques d’enginyeria genètica en cèl·lules d’un organisme actual per fer que expressin les proteïnes ancestrals codificades en l’ADN “ressuscitat”.
El 2011 un equip multidisciplinari liderat pel professor Julio M. Fernández, de la Universitat de Columbia (Nova York), va publicar un estudi en el qual es van emprar més de 200 seqüències pertanyents a organismes dels tres dominis de la vida (arqueobacteris, eubacteris i eucariotes) per, mitjançant una anàlisi filogenètica, obtenir tioredoxines corresponents a diversos organismes primitius. Malgrat que l’algoritme bioinformàtic usat per a reconstruir els enzims d’organismes extingits fa més de 4.000 milions d’anys va donar lloc a una seqüència d’aminoàcids que difereix de la de les tioredoxines modernes en més d’un 70%, els enzims reconstruïts van resultar ser viables.
Els resultats obtinguts mostren que aquests enzims primitius catalitzen la reducció de grups disulfurs seguint pràcticament el mateix mecanisme que les tioredoxines actuals, i es diferencien bàsicament en les condicions en què són més eficients. Els enzims “antics” estan optimitzats per a treballar a valors de pH més baixos, temperatures més elevades i amb una especificitat respecte del substrat més baixa que les tioredoxines modernes.
Aquestes característiques concorden força bé amb allò que es creu que eren les condicions ambientals a la Terra en els estadis primordials de l’evolució de la vida, cosa que confirma de manera indirecta que els enzims reproduïts artificialment concorden amb allò que es podria esperar per a un organisme de l’època. A banda de l’interès merament científic, es creu que les versions ressuscitades de les tioredoxines ancestrals permetran obrir noves aplicacions biotecnològiques per a processos industrials on es requereixin unes condicions ambientals més agressives que les que suporten els seus homòlegs més moderns.
Metalls dopats
Representació esquemàtica de l’estructura microscòpica d’un metall dopat on es mostra un enzim encapsulat en una matriu composta per nanopartícules metàl·liques
Una de les principals maneres de modificar les propietats d’un material és el dopatge, és a dir, la introducció de petites quantitats d’una altra substància que s’incorpora a l’estructura del material original i provoca canvis apreciables en les seves propietats físiques.
El dopatge és avui en dia una tècnica habitual per a obtenir una gran varietat de materials d’importància tecnològica, especialment en el cas de semiconductors (la introducció de petites quantitats d’alumini o de fòsfor en el silici és fonamental per a l’obtenció de materials per a l’electrònica) o de metalls, malgrat que en aquest cas es parla d’aliatges i no de metalls dopats. En el cas dels metalls, el que es fa és introduir petites quantitats d’àtoms d’altres elements, com ara el carboni en l’obtenció d’acers a partir del ferro. A causa de les altes temperatures utilitzades normalment en els processos metal·lúrgics tradicionals el que no és possible és modificar les propietats de metalls dopant-los amb molècules complexes, ja que aquestes es trenquen.
La utilització de metodologies de tipus sòl-gel, que impliquen una química molt més suau, sense altes temperatures, ha permès els darrers temps dopar ceràmiques i vidres amb molècules orgàniques, i així s’han obtingut nous materials funcionals amb aplicacions útils en pràcticament tots els camps de la química i la bioquímica.
El darrer pas lògic en aquesta línia, el dopatge de metalls amb molècules orgàniques complexes, es va assolir recentment. Destaca en aquest camp el treball realitzat per l’equip del professor David Avnir (Universitat Hebrea de Jerusalem). En les seves publicacions descriu l’encapsulació irreversible de molècules orgàniques en una matriu metàl·lica utilitzant un nou mètode de síntesi one-pot a temperatura ambient. Per provar la viabilitat dels seus mètodes, van preparar nous materials híbrids dopant metalls nobles, principalment plata i coure, amb quantitats al voltant de l’1% en pes de colorants orgànics, polímers, molècules quirals, catalitzadors i fins i tot enzims. Els materials híbrids resultants estan formats per l’aglomeració de partícules d’algunes poques centenes d’àtoms de metall que deixen unes cavitats on queden atrapades de manera irreversible les molècules orgàniques en formar-se el sòlid macroscòpic. Aquests nous materials mantenen algunes de les propietats típiques dels metalls, com ara el llustre o l’estructura densament empaquetada, al mateix temps que presenten importants diferències respecte dels metalls purs en altres propietats físiques i químiques, com ara la resistivitat elèctrica, les propietats òptiques o el seu comportament com a catalitzadors.
Mesurant aquestes propietats, es pot veure que els materials obtinguts per encapsulació de molècules en la matriu metàl·lica durant la seva formació són realment diferents dels que es poden obtenir per l’adsorció de les molècules en una matriu metàl·lica preformada. En un article publicat el 2011, l’equip del professor Avnir va demostrar que usant plata dopada amb el colorant vermell Congo és fins i tot possible construir una cel·la electroquímica en la qual els dos elèctrodes estan fets del mateix metall. La diferència de potencial establerta entre un elèctrode de plata pura i un altre obtingut amb plata dopada és suficient per a activar un díode emissor de llum (LED) en un circuit extern.