La investigación sobre catálisis de átomo único recibe un premio científico

Zhang Tao

Como motores invisibles de la química moderna, los catalizadores ayudan a producir la gasolina que impulsa los automóviles, los fertilizantes que promueven el cultivo de alimentos y los polímeros utilizados para fabricar ropa, lo que los convierte en indispensables para la vida moderna.

Sin embargo, durante más de un siglo, la industria química se ha enfrentado a un costoso obstáculo. Sus catalizadores más eficaces dependen de metales preciosos raros y caros, como el platino y el paladio, que son incluso más valiosos que el oro. En los procesos industriales convencionales, estos metales se utilizan en forma de nanopartículas o cúmulos, dejando un gran porcentaje de los átomos metálicos enterrados dentro del material e incapaces de participar en las reacciones químicas. Como resultado, la mayor parte del metal precioso se desperdicia.

Tras décadas de investigación, Zhang Tao, académico de la Academia China de Ciencias, y su equipo propusieron el concepto de catálisis de átomo único en 2011. En lugar de utilizar grupos de átomos metálicos, este enfoque distribuye átomos metálicos individuales sobre la superficie de un material de soporte, permitiendo que cada átomo actúe como un sitio activo donde tienen lugar las reacciones químicas.

Esto incrementa el uso de átomos de metales preciosos de un pequeño porcentaje a casi el 100%.

El avance se demostró inicialmente con metales del grupo del platino y, desde entonces, se ha extendido a más de 40 elementos de la tabla periódica. En reconocimiento a su contribución fundamental a la investigación en catálisis, el trabajo recibió el primer premio del Premio Estatal de Ciencias Naturales en Beijing el miércoles.

"La característica distintiva de la catálisis de átomo único es que nos permite estudiar las reacciones catalíticas a nivel de átomos individuales, en lugar de partículas más grandes", afirmó Zhang, quien también es profesor del Instituto de Física Química de Dalian de la Academia China de Ciencias (CAS).

"Mediante estudios teóricos, hemos explicado por qué la catálisis de átomo único se mantiene estable y cómo se comporta durante las reacciones químicas", explicó Li Jun, miembro del equipo, académico de la CAS y profesor de la Universidad de Tsinghua.

"Esto ha transformado la investigación en catalizadores, pasando de basarse principalmente en el método de ensayo y error a diseñar catalizadores fundamentados en el conocimiento científico", añadió Li.

Zhang afirmó que este nuevo conocimiento tiene amplias aplicaciones y ha despertado interés mundial en convertir el concepto en tecnologías prácticas, desde la fabricación de productos farmacéuticos hasta la producción de productos químicos finos. Miles de grupos de investigación de casi 100 países y regiones han publicado más de 20.000 artículos académicos sobre el tema.

"Esto no es meramente una búsqueda académica, sino una respuesta estratégica a las necesidades nacionales", declaró Zhang. "Garantizar el control independiente sobre las tecnologías clave de catalizadores es vital para nuestra seguridad energética y nuestra industria química".

Detrás de este logro se esconde un largo camino recorrido desde la teoría hasta la aplicación práctica.

Cuando Zhang propuso por primera vez el concepto en su tesis doctoral en la década de 1980, la tecnología necesaria para verificarlo no existía.

"Al principio, teníamos la idea, pero no teníamos forma de observarla", explicó Zhang. "Era como si un elefante estuviera justo delante de nosotros, pero en la oscuridad total, sin linterna y con el camino cubierto de maleza, permanecía invisible".

Las limitaciones técnicas de la época dificultaron aún más el trabajo. El cromatógrafo de fabricación nacional que utilizaba el equipo era básico y sufría graves fluctuaciones de señal, además de que los cortes de luz eran frecuentes.

«A menudo, justo cuando estábamos a punto de recopilar los datos finales, la luz parpadeaba, borrando todo el trabajo del día», dijo Zhang. Solía ​​pasar días enteros en el laboratorio, durmiendo sobre una estera de paja en el suelo mientras esperaba a que el equipo proporcionara datos estables.

Zhang afirmó que su determinación se forjó en parte gracias a sus primeras experiencias en las montañas. Nacido en 1963 en Ankang, en las montañas Qinba de la provincia de Shaanxi, regresó a su ciudad natal para enseñar en una escuela secundaria tras graduarse. Impulsado por una gran pasión por la investigación científica, decidió posteriormente cursar estudios de posgrado.

"Daba clases durante el día y me preparaba para los exámenes de ingreso a la maestría a la luz de una lámpara por la noche, abrigado con un grueso abrigo de algodón y botas de fieltro para protegerme del frío durante el invierno", comentó. Esta experiencia le enseñó autodisciplina, independencia y perseverancia, cualidades que más tarde le ayudaron a superar repetidos contratiempos en su investigación.

También hizo hincapié en la importancia de la colaboración interdisciplinaria. Zhang lideró el desarrollo y las pruebas de los catalizadores, conectando la investigación teórica con las aplicaciones prácticas, mientras que Li, químico teórico, desarrolló el marco científico que explica por qué los átomos individuales permanecen estables y cómo impulsan las reacciones químicas.

"Gracias a los avances en inteligencia artificial y simulación por computadora, ahora utilizamos nuestro conocimiento de estos sitios activos para diseñar e identificar mejores catalizadores de manera más eficiente", concluyó Zhang. "Se espera que la combinación de investigación fundamental y nuevas tecnologías impulse el desarrollo de nuevas energías y una fabricación de productos químicos más sostenible en todo el mundo."