El desenvolupament de noves tècniques per manipular i estudiar la matèria en l'àmbit atòmic ha suposat un dels canvis conceptuals més profunds que ha sofert la química al llarg de la seva història. Si donem una ullada a les revistes més prestigioses del camp veurem com en el lapse d'uns deu anys l'interès dels químics ha anat canviant progressivament, donant cada vegada més èmfasi a les qüestions relacionades amb el control de l'estructura i les propietats de la matèria a escala nanoscòpica. Un bon exemple d'aquesta tendència és el de la "papiroflèxia" o "origami" amb molècules d'ADN en què se n'aprofita la flexibilitat per obtenir estructures nanoscòpiques amb diferents formes. Malgrat els avenços de la química en el camp de la nanotecnologia, molts químics segueixen treballant en la síntesi de nous compostos seguint esquemes clàssics basats en la semblança del comportament químic d'elements que es troben en un mateix grup de la taula periòdica. Aquest camí, però, no sempre és fàcil, tal com es pot deduir del fet que s'hagi tardat més de cent anys a obtenir per primera vegada una germanona, l'equivalent amb germani de les cetones, estable. Un tercer tema que crida l'atenció és el progrés en els esforços per obtenir primeres matèries de gran importància estratègica a partir de fonts no convencionals. En aquest sentit destaquen els mètodes que s'estan posant a punt en els darrers anys per extreure urani de l'aigua de mar amb una rendibilitat que comença a acostar-se a la de la mineria clàssica, però sense tots els problemes ambientals que aquesta comporta.
Origami molecular
A. Disseny d’una forma geomètrica predeterminada, en aquest cas d’una casa (en gris) i dels plecs que s’han d’induir en una molècula d’ADN (línia negra) per a adoptar la forma desitjada. B. Disseny dels fragments d’ADN complementaris (en diferents colors) que són necessaris per a estabilitzar la molècula principal d’ADN (en negre) amb els plecs desitjats. C. Disseny del plegat d’una molècula d’ADN per a adoptar la forma d’una emoticona. D. Imatge obtinguda amb un microscopi de forces atòmiques (AFM) d’un conjunt de molècules d’ADN plegades segons el patró mostrat a C. La ratlla blanca horitzontal correspon a una longitud de 100 nm
Un dels camps més punters en la química actual és el disseny i la fabricació d'estructures nanomètriques, és a dir, sistemes formats per un petit nombre de molècules que mitjançant un procés d'assemblatge controlat acaben formant una estructura amb una forma geomètrica determinada de dimensions inferiors als 1.000 nm. Alguns dels èxits més espectaculars en aquest sentit s'han aconseguit aprofitant la flexibilitat i la versatilitat de les molècules d'ADN per aconseguir que adoptin una determinada forma induint-hi un determinat nombre de plecs que posteriorment s'estabilitzen i formen unions entre diferents segments de la molècula. Per a construir una estructura determinada s'escull primer un fragment d'ADN de la longitud apropiada i es determinen els plecs que s'hauran de realitzar perquè la molècula adopti la forma desitjada. Una vegada s'ha determinat l'estructura bàsica, es procedeix a dissenyar un conjunt de fragments d'ADN complementaris que formin unions entre diferents parts del fragment principal per tal d'estabilitzar, d'aquesta manera, l'estructura plegada amb la forma desitjada. Malgrat la complexitat del procés, que requereix l'ús intensiu de tècniques computacionals per dissenyar els fragments auxiliars que permetin estabilitzar l'estructura global de la manera més robusta, en els darrers anys s'ha aconseguit desenvolupar la tècnica de manera que permet construir objectes nanoscòpics amb una precisió sense precedents. L'exemple més famós és el disseny i la síntesi de molècules d'ADN que adopten una estructura amb la forma d'una emoticona somrient de poc més de 100 nm de diàmetre.
Des que el professor Rothemund, de l'Institut de Tecnologia de Califòrnia, va proposar el 2006 la tècnica de l'origami amb ADN, aquesta s'ha anat perfeccionant i ha permès passar d'estructures planes a estructures tridimensionals, com un gerro nanoscòpic que pot contenir unes 800.000 molècules d'aigua al seu interior, una capsa cúbica amb una tapadora que es pot obrir i tancar mitjançant una reacció fotoquímica, o un nanorobot en forma de contenidor on s'insereixen molècules d'un determinat medicament que són transportades pel robot fins a l'interior de la cèl·lula, on s'obre la tapadora del contenidor per alliberar els fàrmacs de manera controlada.
Síntesi de la primera germanona
Estructura molecular de la primera germanona estable coneguda
© Tsukasa Matsuo / RIKEN Advanced Science Institute 2012
La taula periòdica dels elements resumeix de manera magistral una de les idees clau de la química: tot i que els compostos químics, tant naturals com sintètics, estan formats per més d'un centenar d'elements diferents, hi ha una semblança entre alguns d'aquests elements que permet agrupar-los en unes poques famílies, segons el seu comportament químic. Aquesta classificació és especialment útil a l'hora de predir l'existència de molècules desconegudes. Un cas típic que mostra, però, que les coses no són sempre tan senzilles el trobem en el grup 14 de la taula periòdica, format per C, Si, Ge, Sn i Pb. Atès que la configuració electrònica de la capa de valència de tots aquests elements és la mateixa, es tendiria a pensar que la química del carboni s'hauria de repetir sense grans diferències en els elements més pesants del grup. Hi ha nombroses evidències que això no és, però, del tot cert.
Un dels exemples més clars és que fins enguany no s'ha aconseguit sintetitzar cap molècula estable amb l'equivalent amb Si o Ge d'un dels grups funcionals més habituals en química orgànica, el grup carbonil (C = O), present a les cetones, els aldehids, els èsters i les amides.
Els nombrosos intents de sintetitzar molècules amb un grup X = O on X = Si, Ge, Sn o Pb realitzats en els darrers 100 anys havien fracassat, sempre a causa de l'alta reactivitat d'aquests enllaços X = O fortament polaritzats, motiu pel qual la síntesi per primera vegada d'una germanona estable es pot considerar una vertadera proesa de la química sintètica. La síntesi de la primera germanona coneguda que van realitzar els professors Matsuo i Tamao de l'Institut RIKEN de Ciència Avançada del Japó es va aconseguir aïllant l'enllaç Ge = O altament reactiu del seu entorn mitjançant uns substituents voluminosos que impedeixen l'acostament d'altres molècules. Els càlculs mecanoquàntics confirmen que l'enllaç Ge = O està altament polaritzat i que és, per tant, altament reactiu i, a més, mostren que és força diferent de l'enllaç C = O present a les cetones, ja que el valor calculat per a l'ordre d'enllaç és de només 1,25 enfront del valor de 2 corresponent a un enllaç doble clàssic.
Extracció d'urani de l'aigua de mar
L'escassetat de l'urani sòlid ha fet investigar en mètodes efectius per extreure'l de l'aigua marina
© Fototeca.cat / Fototlia.com / Antonio Alcobendas
El manteniment de l'actual estatus tecnològic planteja un dels principals reptes de futur per a la humanitat: la necessitat d'un subministrament estable i a uns preus assequibles de les primeres matèries. En aquest sentit, hi ha alguns elements clau, la majoria pertanyents al grup de les terres rares, que han estat catalogats com a estratègics i per als quals s'estan buscant fonts alternatives a fi d'evitar-ne una mancança que podria posar en risc les economies més avançades. Aquests riscos han portat a desenvolupar mètodes per extreure elements com ara l'urani d'una font alternativa: l'aigua de mar, que conté uns 3,3 μg/L d'urani, principalment en forma de carbonat de UO22+. Tot i que en una concentració molt baixa, la quantitat d'urani a l'aigua dels oceans de la Terra és d'uns 4.000 milions de tones, una quantitat aproximadament mil vegades superior a tot l'urani que es calcula que hi ha a l'escorça terrestre. Si mantinguéssim el consum anual d'unes 40.000 tones d'urani, l'extracció de l'urani dissolt a l'aigua de mar suposaria una font pràcticament inesgotable que cobriria les necessitats actuals durant uns cent mil anys.
El problema, òbviament, és dissenyar un procés viable econòmicament per extreure l'urani del mar. Encara que la idea de dur a terme aquesta extracció no és nova, en els darrers anys és quan s'ha avançat més ràpidament cap a una solució desenvolupant nous materials adsorbents d'urani, selectius i reutilitzables, amb una eficiència d'uns 3,4 g d'urani per quilogram d'adsorbent en un període de trenta dies. Aquests materials es basen en la interacció selectiva del grup UO2·3H2O amb grups amidoxima (RC(NH2) = NOH ) ancorats en un material polimèric transportable que se submergeix durant un cert temps al fons marí. L'urani es recupera a posteriori per tractament amb àcid clorhídric i es deixa l'adsorbent preparat per a una nova extracció. Malgrat que els mètodes actuals no són encara econòmicament competitius enfront de les tècniques de mineria clàssiques, presenten, en canvi, uns avantatges clars que n'asseguren el futur: són mètodes molt més nets des d'un punt de vista ambiental i permeten una extracció d'un element estratègic a pràcticament qualsevol país del món amb accés al mar, ja que la concentració d'urani a l'aigua de mar és pràcticament constant a tot el planeta.