Noves molècules remarcables
Amb una caixa d’eines que conté prop de cent tipus de peces diferents (els àtoms) que es poden unir entre si de diverses maneres per formar molècules, els químics tenen a la seva disposició una font pràcticament inesgotable per a fer volar la imaginació i sintetitzar any rere any milers de molècules noves, la majoria de les quals ni són a la naturalesa de manera espontània ni se li havia acudit a ningú abans que poguessin existir.
Entre tota aquesta allau de síntesis de nous compostos que es van publicant contínuament, n’hi ha, però, uns quants que cal destacar especialment, com ara, el C60, un nou antibiòtic, de gran utilitat, una estructura molt atractiva per la seva elevada simetria o per la dificultat de la seva síntesi, que requereix desenes de reaccions químiques que s’han d’encadenar l’una rere l’altra en unes condicions molt estrictes per arribar al resultat final amb un rendiment apreciable.
Per als químics teòrics, però, tenen un interès especial les molècules aparentment anodines en què apareixen per primer cop enllaços entre dos tipus d’àtoms que no s’havien vist mai, o enllaços coneguts entre parells d’àtoms on es forcen els límits de les regles de l’enllaç químic. En aquesta direcció, l’any 2018 es van presentar dues molècules de gran rellevància des del punt de vista fonamental.
En una d’aquestes molècules, un equip de químics orgànics de la Universitat de Hokkaidō (Japó) ha aconseguit inserir-hi l’enllaç senzill entre dos àtoms de carboni més llarg mai conegut. L’enllaç C-C senzill és probablement, juntament amb l’enllaç C-H, un dels enllaços més abundants en química i un element clau en la síntesi de noves molècules orgàniques i biològiques.
Una de les dades que tot químic ha d’estudiar en els cursos bàsics de química orgànica són les distàncies d’enllaç entre àtoms de carboni: al voltant de 1.54 Å, per a un enllaç C-C senzill; 1.34 Å, per a un enllaç doble C=C, i 1.20 Å, per a un triple enllaç.
Fins a quin punt podem estirar un d’aquests enllaços C-C sense que els dos àtoms deixin d’estar enllaçats, o dit d’una altra manera, sense arribar a trencar aquest enllaç? En aquest sentit és molt interessant per a la química teòrica que els químics experimentals vagin sintetitzant noves molècules amb substituents voluminosos que es repel·leixen entre si, cosa que crea tensions dins la molècula que acaben estirant els enllaços, i els porten fora de la seva zona de distàncies habituals.
En l’exemple que es va presentar aquest 2018, la unió de dues estructures espirocícliques que són forçades a estar l’una davant l’altra (figura 1) dona lloc a un extraordinari enllaç senzill C-C amb una distància de 1.806 Å. Això suposa un nou rècord per a aquest tipus d’unions, l’existència del qual es va confirmar a partir de mesures d’espectroscòpia Raman i difracció de raigs X.
Figura 1: Síntesi d’un nou hidrocarbur amb un enllaç C-C (en vermell) amb una distància rècord de 1.806 Å
Una altra molècula d’especial interès descrita aquest 2018 és un compost de bor on, per primer cop, s’ha aconseguit fixar una molècula de nitrogen mitjançant compostos formats exclusivament per àtoms dels grups principals de la taula periòdica.
Per l’elevada estabilitat del triple enllaç N2, la fixació i activació del nitrogen, és a dir, la unió d’una molècula N2 a una altra molècula –de manera que es modifiquin les característiques de l’enllaç N-N per fer-lo més reactiu i poder trencar-lo–, és un gran repte que, en cas de ser resolt, obriria la porta a nombroses aplicacions de síntesi de molècules d’interès industrial a partir d’un recurs pràcticament inesgotable com és el nitrogen de l’aire.
De moment, però, els intents de fixar el nitrogen no han donat gaires resultats més enllà d’uns pocs complexos organometàl·lics, en què el nitrogen s’uneix a algun àtom de metall de transició.
Figura 2: Fórmula (esquerra) i estructura cristal·logràfica (dreta) del nou compost format a partir de dues molècules de borilè i una de dinitrogen
Per aquesta raó, aquest 2018 un grup d’investigadors de la Universitat de Würzburg van presentar una molècula N2 (figura 2) que es fa reaccionar amb un borilè, l’anàleg amb bor d’un carbè, per formar un compost on el grup N2, unit a la resta per enllaços B-N, representa un gran avenç que pot obrir les portes a una nova línia de reaccions per fixar i activar el nitrogen d’una manera neta i econòmica.
La fusta, font de nous materials
Per fabricar elements estructurals, com ara bigues en la construcció d’edificis o carcasses d’automòbils i avions, cal utilitzar materials d’una elevada resistència a l’esforç, com l’acer o altres aliatges metàl·lics. L’obtenció d’aquests materials és, però, un procés car i extremament perniciós des del punt de vista mediambiental, i per això s’està fent una recerca intensa de materials alternatius molt més sostenibles.
Un d’aquests podria ser la fusta, que, tot i ser un material àmpliament utilitzat des de fa molts anys en la construcció i la fabricació de mobles, presenta però alguns inconvenients que impedeixen utilitzar-la en aplicacions en què tant la resistència a l’esforç com l’estabilitat envers la humitat esdevenen factors clau.
El principal problema és l’estructura porosa de la fusta (figura 3), que permet una fàcil incorporació d’aigua a l’interior dels canals, però en modifica ostensiblement les propietats mecàniques.
Malgrat que ja fa força temps que s’usen diversos mètodes per a millorar les propietats mecàniques de la fusta, que es tracta primer amb vapor d’aigua, escalfor o amoníac i després es comprimeix –o es densifica– amb mètodes mecànics, els resultats no han estat massa satisfactoris i no s’ha passat de comprimir-la més enllà d’un 40% del seu volum inicial, de manera que queden molts dels canals microscòpics intactes i, per tant, es crea un material que continua tenint gran part dels problemes de la fusta original.
Aquest 2018, un equip de recerca de la Universitat de Maryland (Estats Units) va descobrir un nou mètode per a densificar la fusta fins a nivells inabastables anteriorment, i van obtenir un material fins a cinc vegades més compacte que la fusta original i amb una resistència mecànica similar a la de molts metalls i aliatges estructurals. Aquesta nova tècnica consisteix a bullir la fusta natural en una solució de NaOH i Na2SO3 per fer-la més porosa i menys rígida (pas 1 de la figura 3) i aplicar posteriorment una compressió perpendicular a la direcció de creixement de la fusta a 100 °C, de manera que es col·lapsin la majoria dels canals. Com que la fusta està formada en gran part per cel·lulosa (un polisacàrid de glucosa), quantitats menors d’hemicel·lulosa (un polisacàrid amb majoria de sucres amb anells de cinc baules) i lignina (un polímer fenòlic) –tres components amb una estabilitat diferent enfront del bany químic inicial–, el resultat és que s’aconsegueix eliminar al voltant del 75% de l’hemicel·lulosa i el 50% de la lignina, i la cel·lulosa queda pràcticament intacta.
Estudis posteriors van demostrar que la clau de l’èxit del procés és l’eliminació parcial de la lignina, que redueix notablement la rigidesa dels canals naturals de la fusta, col·lapsats fàcilment en el procés posterior de compressió.
Figura 3: Modificacions estructurals induïdes a nivell microscòpic durant el procés de generació de nous materials a partir de la fusta
A partir d’aquesta mateixa idea, un altre equip de recerca va preparar un nou material extremament lleuger i flexible que pot ser comprimit mecànicament i recupera posteriorment el seu volum inicial. En aquest cas, després del bany inicial amb una solució de NaOH i Na2SO3, es tracta la fusta amb peròxid d’hidrogen per reestructurar la xarxa de canals naturals de la fusta i donar un apilament de làmines ondulades (pas 2 de la figura 3). Tot seguit es carbonitza el material resultant per obtenir l’esponja de carboni, un material molt lleuger pels amplis espais buits entre les capes ondulades, que pot ser comprimit de manera reversible fins a reduir un 80% del seu volum inicial i aplicar una força en la direcció perpendicular a aquestes capes (la direcció perpendicular a la direcció de creixement de la fusta original).
Inici de la batalla contra la contaminació per plàstics dels oceans
Acumulació de plàstics a les platges del sud-est asiàtic
© Systemiq
El 2018 serà probablement recordat com l’any en què definitivament l’opinió pública internacional es va fer ressò d’un problema de contaminació mediambiental d’abast global: la contaminació dels oceans per residus plàstics.
Malgrat que la comunitat científica internacional portava més d’una dècada avisant de la magnitud del problema, tant els estats com les organitzacions internacionals no havien parat gaire atenció a aquest nou problema, i van focalitzar l’atenció en les altres dues qüestions mediambientals globals candents: la destrucció de la capa d’ozó estratosfèric i l’escalfament del planeta per acumulació de gasos d’efecte hivernacle.
Ara, però, les dimensions i les conseqüències de la contaminació dels oceans per plàstics ja comencen a indicar que, en un futur proper, esdevindrà un dels principals maldecaps de la humanitat.
Es calcula que, a tot el món, s’han produït prop de 8.300 milions de tones de materials plàstics, de les quals uns 6.300 milions actualment estan dispersades com a residus per tot el planeta. Entre 5 i 13 milions de tones entren anualment als oceans, malgrat que és un nombre difícil d’estimar, ja que fins fa poc s’ignorava el pes dels anomenats microplàstics, és a dir, les partícules plàstiques amb dimensions inferiors als 5 mm originades majoritàriament a partir de l’erosió mecànica de residus plàstics majors. Els organismes ambientals de la Unió Europea (UE) van calcular que entre 75.000 i 300.000 tones anuals de microplàstics que entren als oceans procedien dels seus països membres, tot i que és difícil estimar la quantitat de microplàstics. Si tenim en compte que més de la meitat de la contaminació global per plàstics als oceans prové del sud-est asiàtic (Xina, Indonèsia, Filipines, Sri Lanka i Vietnam) i que els països de la UE figuren entre els que menys contaminen, és possible fer-se una idea de la magnitud de la contaminació per microplàstics a escala global.
En estudis recents a Califòrnia i a Indonèsia es van trobar residus plàstics en prop d’un terç del peix adquirit als mercats. En altres estimacions també recents s’ha calculat que, si se segueix la tendència actual, cap al 2050 la massa de residus plàstics als oceans excedirà per primera vegada la massa total de peixos.
Com en altres problemes mediambientals, la química, en general, ha estat acusada com a culpable de la situació, i estats i organismes internacionals estan pressionant perquè aquest sector aporti solucions. Tanmateix, igual que en altres temes com l’escalfament planetari o la destrucció de la capa d’ozó, no es pot esperar resoldre un problema amb fortes implicacions econòmiques i socials exclusivament amb solucions tecnològiques. Sota aquesta premissa, tot i l’escepticisme generat en la majoria de la comunitat científica, el 2018, la UE va llançar un pla ambiciós per millorar el reciclatge del plàstic als països membres amb una iniciativa benintencionada, segons la qual es podia resoldre el problema únicament amb l’increment del reciclatge sense desincentivar simultàniament l’ús de plàstics o potenciar el desenvolupament de materials alternatius amb menys empremta mediambiental.
Un dels problemes principals en la reducció de la contaminació per plàstics és precisament que les propietats que fan atractius els plàstics com a materials per a múltiples aplicacions (la resistència a la corrosió i a la degradació) són precisament la principal font de problemes a l’hora de tractar-los com a residus.
En aquest sentit, les accions anteriors per reduir el problema, com els plàstics biodegradables, han estat ineficients, i a més s’ha descobert que en els estadis intermedis del procés de degradació es facilita molt la dispersió dels materials en forma de microplàstics, els quals són molt més difícils d’eliminar dels oceans per mitjans mecànics.
Una solució alternativa, el reciclatge dels plàstics perquè no acabin sent dispersats com a residus, però, presenta també nombrosos problemes estrictament químics. Actualment gran part del reciclatge es basa en la molta i posterior fusió del material per tornar a generar un plàstic nou, un procés no gaire eficient, ja que les propietats del plàstic obtingut d’aquesta manera depenen molt de la presència de contaminants. El producte resultant és normalment d’una qualitat inferior a l’original i no pot ser usat per a les mateixes aplicacions.
El cas del poliestirè usat abundantment en la indústria alimentària per a fer safates o gots d’un sol ús, per exemple, és un cas típic en què la contaminació per petites quantitats de residus oliosos dels aliments amb els quals ha estat en contacte fa que sigui pràcticament impossible reciclar-lo sense haver de passar per un costós procediment de neteja prèvia.
Un altre exemple típic de problema del reciclatge de plàstics és el dels materials compostos, en què les propietats mecàniques desitjades s’obtenen a partir de la incorporació d’un component polimèric finament dispersat en una matriu formada per una resina. Per això, es fa evident que és impossible regenerar un material d’aquest tipus simplement molent-lo i fonent-lo, ja que caldria una recuperació per separat dels diversos components per poder regenerar el material original.
Actualment, la indústria del reciclatge està buscant diverses solucions tècniques a aquests problemes: d’una banda, simplificar el nombre de plàstics diferents utilitzats en les aplicacions d’ús massiu, com ara en l’empaquetament a la indústria alimentària, i de l’altra, desenvolupar nous plàstics per als quals sigui fàcil i eficient recuperar el monòmer a partir de residus del polímer, i així poder fer un veritable reciclatge del plàstic tornant a repolimeritzar els monòmers per obtenir un producte idèntic al plàstic nou.
Malgrat que ja comencen a haver-hi propostes interessants en aquest sentit, no s’espera que es puguin implementar a curt termini, ja que primer caldrà desenvolupar polímers reciclables d’aquest tipus amb unes propietats que els facin competitius enfront dels plàstics usats actualment i després caldrà canviar tota la maquinària de producció per adaptar-la a aquests nous materials.
De totes maneres, la conscienciació que la contaminació dels oceans per plàstics és un problema global que necessita remei de manera urgent és ja un gran primer pas cap a la direcció correcta.