Ordinadors per a predir l’olor dels compostos químics
Des del punt de vista molecular, l’olfacte és el més desconegut dels cinc sentits. Avui en dia encara és del tot impossible relacionar la resposta olfactiva amb alguna particularitat de l’estructura molecular dels compostos que la provoquen. Malgrat que s’han desenvolupat algunes teories que es basen en la interacció de diferents tipus de molècules amb uns receptors específics situats a les fosses nasals, sovint aquestes teories topen amb observacions experimentals tan bàsiques com el fet que dues molècules amb estructures totalment diferents donin lloc a sensacions olfactives similars, mentre que de parells de molècules amb estructures estretament relacionades en resultin olors completament diferents.
Per intentar millorar el nostre coneixement sobre les bases moleculars del reconeixement i la diferenciació d’olors, vint-i-dos grups de recerca de diferents països es van unir en un projecte de gran abast, finançat a partir de micromecenatge internacional, que pretén usar tècniques informàtiques de machine learning per a relacionar estructura molecular i sensació olfactiva.
Per a aquest projecte, es va recopilar informació sobre 476 molècules, i es va demanar a 49 voluntaris que classifiquessin les aromes en 19 categories (dolça, floral, cremada, afruitada, d’espècies, etc.), i també que donessin la seva opinió sobre altres característiques de l’olor (intensitat, agradable, desagradable, etc.) que sentien en olorar vials amb mostres d’aquests compostos purs. Tota aquesta informació empírica sobre l’olor es va afegir a una base de dades amb 4.884 descriptors moleculars per als diferents compostos, entre els quals hi havia el tipus d’àtoms i grups funcionals, com també altres característiques estructurals. Una part de tota aquesta informació es va subministrar als equips d’experts per a dissenyar algoritmes informàtics que, mitjançant l’ús de tècniques de machine learning, permetessin relacionar l’olor percebuda amb alguna de les característiques estructurals de les molècules del conjunt de prova. Els resultats es van confrontar amb les sensacions olfactives obtingudes experimentalment. A partir dels resultats obtinguts, l’equip director del projecte va dissenyar un algoritme final que és capaç de predir amb fiabilitat la intensitat i el caràcter agradable/desagradable de l’olor d’una molècula a partir de la seva estructura química, com també de classificar satisfactòriament les diferents molècules estudiades en 8 de les 19 categories inicials.
Malgrat que els resultats van mostrar que, en principi, és factible usar ordinadors per a predir olors a partir del coneixement de l’estructura molecular, els responsables de l’experiment van reconèixer que encara tot és molt incipient.
Compostos organometàl·lics per a recollir aigua al desert
Investigadors del MIT van construir un nou sistema per a extreure aigua potable de l’aire
© MIT
A l’última dècada hi ha hagut un gran interès en la síntesi i les aplicacions d’una nova família de materials organometàl·lics porosos coneguts genèricament com a MOFs, denominació derivada del seu nom en anglès, Metal Organic Frameworks. La idea bàsica per a formar un MOF és la de combinar un metall de transició, com ara el níquel o el cobalt, amb lligands orgànics que permetin la coordinació per diversos punts de la molècula i, per tant, la formació de polímers de coordinació amb estructures tridimensionals en les quals es formen grans cavitats. Triant de manera escaient el metall i els lligands orgànics es poden construir xarxes amb cavitats i túnels de diferents mides i formes que permeten l’absorció selectiva de molècules petites i mitjanes a l’interior. Les diferències en les interaccions d’aquestes molècules amb els lligands orgànics que formen les parets de les cavitats del MOF i el canvi de propietats que porten associades aquestes interaccions permeten usar aquests materials per a l’emmagatzemament i la separació selectiva de gasos i també com a components per a sensors per a detecció de gasos.
Una aplicació interessant d’un MOF, amb l’estructura [Zr6O4(OH)4(fumarat)6], que va presentar el 2017 un grup d’enginyers i químics del MIT, el Massachussets Institute of Technology de Bòston, és la d’un sistema de recollida d’aigua a partir de l’aire relativament sec que es troba habitualment en climes àrids. El sistema està format per una cambra oberta a l’aire que conté una capa de pols microcristal·lina del MOF, compresa entre un absorbent de llum solar i un condensador. Quan l’ai-re circula a través de la cambra, la capa de MOF n’absorbeix l’aigua present, mentre que la radiació solar s’encarrega d’escalfar el MOF perquè s’alliberi l’aigua absorbida que es recull al condensador. El prototip de 30 litres d’aquest recol·lector es va mostrar eficaç en climes desèrtics amb humitats relatives de fins al 20% i va permetre obtenir uns 12 litres diaris d’aigua, suficients per a cobrir les necessitats mínimes d’una llar familiar.
Per a aquest tipus d’aplicacions, també es va treballar en una família de MOFs formats per manganès, cobalt o níquel amb lligands triazolat que són capaços d’absorbir fins al 90% del seu pes en aigua amb humitats ambientals al voltant del 30%, aigua que es pot alliberar de manera efectiva del MOF escalfant-lo a 55 °C, tempera-tura que permetria dissenyar un recol·lector d’aigua que funcionés aprofitant la calor residual del tub d’escapament d’un vehicle d’ús domèstic.
Tinta de vidre
L’Institut de Tecnologia de Karlsruhe, a Alemanya, va presentar una tinta que permet la impressió en 3D d’objectes complexos de vidre
© KIT
Per arribar a l’estat actual de les impressions en 3D, i paral·lelament al seu desenvolupament, ha estat fonamental el paper de la química en la formulació de noves tintes que permetin la impressió d’objectes en diferents materials. Malgrat que en l’actualitat es disposa de bones formulacions de tintes per a imprimir objectes de plàstic, ceràmica o metall, fins ara la impressió en 3D d’objectes de vidre, de gran interès per a la indústria dels components òptics, no era satisfactòria. Les altes temperatures de fusió dels vidres representaven una barrera difícil de superar i tots els intents havien donat lloc a peces amb una baixa resolució espacial i amb superfícies massa rugoses per a aplicacions òptiques.
Per tal de superar aquestes dificultats, un equip d’investigació de l’Institut de Tecnologia de Karlsruhe (Alemanya) va presentar una tinta basada en un polímer líquid amb nanopartícules de diòxid de silici que es pot solidificar aplicant radiació UV. Usant aquesta tinta en una impressora en 3D convencional i sotmetent els objectes obtinguts a un primer escalfament per a eliminar el material polimèric i a un segon escalfament, a uns 1.300 °C, per a sinteritzar les nanopartícules de diòxid de silici, s’han pogut fabricar peces de vidre pur amb una transparència apta per a aplicacions òptiques i una resolució espacial del voltant d’unes 10 micres.
Teixits moleculars
El desenvolupament espectacular que ha sofert la química supramolecular des de l’any 2000 ençà ha permès als químics passar de sintetitzar molècules aïllades amb una estructura determinada a sintetitzar agrupacions moleculars amb geometries i topologies cada cop més complexes. És en aquesta línia que es va emmarcar una de les darreres fites aconseguida el 2017: un teixit molecular triaxial, en què s’usen tres cadenes d’una oligoprolina derivatitzada per formar una estructura en què dues de les cadenes formen l’ordit i la tercera s’entrellaça entre les dues primeres formant la trama.
Malgrat que no és el primer teixit molecular que s’ha sintetitzat, l’avenç d’aquest treball és la manera en què s’ha obtingut el teixit final. Fins ara s’havien sintetitzat diverses agrupacions supramoleculars en forma de teixit utilitzant metalls de transició, com ara el coure, per a entrellaçar les cadenes polimèriques entre si amb la topologia adequada i, en una etapa posterior, sotmetent el producte resultant a diverses reaccions químiques per a eliminar els àtoms metàl·lics que haurien servit només com a plantilles per a guiar l’entrellaçat de les fibres. En el compost descrit el 2017 es va aconseguir, per primera vegada, dissenyar les cadenes polimèriques de tal manera que en el procés de polimerització s’entrellacessin de manera espontània entre elles amb la topologia adequada, sense la necessitat d’ions metàl·lics que les guiessin. D’aquesta manera s’evita l’ús de metalls potencialment tòxics i reaccions complicades per a aconseguir el teixit final.
A més, el nou teixit molecular requereix una energia per unitat de volum molt més elevada per a fracturar-lo, i en els cristalls d’aquest compost, que es formen apilant capes de teixit unes a sobre de les altres, hi queden grans cavitats i túnels que els fan especialment útils com a materials porosos per a l’absorció de molècules petites al seu interior. A diferència dels MOFs, en els COFs (Covalent Organic Frameworks), les fibres estan totes formades per àtoms units mitjançant enllaços covalents, els mateixos que en els polímers sintètics o naturals, com ara el col·lagen, raó per la qual tenen unes propietats mecàniques superiors a les dels MOFs, a més de presentar una biocompatibilitat molt més elevada, que fa pensar que en un futur no massa llunyà poden donar lloc a interessants aplicacions biomèdiques en què calgui emprar teixits moleculars anàlegs als teixits macroscòpics, per exemple, per a recompondre teixit cel·lular malmès.