Los procesos catal¨ªticos vistos con detalle at¨®mico

L a Real Academia Sueca de Ciencias, con la concesi¨®n del Premio Nobel de Qu¨ªmica de 2007 al alem¨¢n Gerhard Ertl, ha enviado un mensaje no s¨®lo a la comunidad cient¨ªfica, sino tambi¨¦n a aquellas administraciones que de forma contumaz se empe?an en insistir en una investigaci¨®n s¨®lo aplicada. La investigaci¨®n b¨¢sica y la aplicada configuran las dos caras de una misma moneda y, por tanto, son indisociables.

El profesor Ertl representa un caso paradigm¨¢tico, ya que desarrollando una investigaci¨®n b¨¢sica sobre modelos catal¨ªticos, ha conseguido aclarar procesos qu¨ªmicos fundamentales que posteriormente se han aprovechado en importantes aplicaciones sociales. Este estudio pionero en la caracterizaci¨®n de los procesos qu¨ªmicos elementales que tienen lugar en una reacci¨®n catalizada, se ha basado en el desarrollo de nuevas t¨¦cnicas muy poderosas en el ¨¢rea de la f¨ªsica de superficies, as¨ª como en los avances te¨®ricos en qu¨ªmica computacional que las han acompa ?ado.

La aplicaci¨®n en autom¨®viles limpia los gases de escape de elementos nocivos

El primer requisito era alcanzar un vac¨ªo comparable al que existe en el espacio

Los catalizadores son sustancias capaces de acelerar las reacciones qu¨ªmicas y que permiten obtener productos qu¨ªmicos en grandes cantidades, algo que de otro modo ser¨ªa imposible. A pesar de que la mayor¨ªa de los procesos qu¨ªmicos industriales se realizan en presencia de catalizadores, con frecuencia se desconoce cu¨¢l es el mecanismo detallado del funcionamiento de un catalizador, lo cual no impide su aplicaci¨®n, pero s¨ª dificulta su mejora. ?ste es el caso de una de las reacciones qu¨ªmicas catalizadas que m¨¢s han contribuido a configurar el mundo moderno, el proceso Haber-Bosch para la s¨ªntesis de amoniaco (el esp¨ªritu vol¨¢til de los alquimistas) a partir de hidr¨®geno y nitr¨®geno, patentado en 1910 por Fritz Haber (premio Nobel en 1918) y Carl Bosch (premio Nobel en 1931).

El descubrimiento genial de Haber y Bosch fue un catalizador formado por ¨®xidos de hierro, de aluminio y de potasio, principalmente, que hizo viable industrialmente la reacci¨®n de s¨ªntesis del amoniaco. El amoniaco es una materia prima fundamental para la fabricaci¨®n de fertilizantes as¨ª como por su uso en m¨¢quinas frigor¨ªficas, colorantes y otras aplicaciones de inter¨¦s social, lo que da idea de la trascendencia del proceso.

Tras 70 a?os de utilizaci¨®n industrial del proceso Haber-Bosch, los trabajos de Ertl demostraron en los a?os ochenta que la velocidad del proceso est¨¢ limitada por la disociaci¨®n de la mol¨¦cula de nitr¨®geno y, adem¨¢s, que su fuerte enlace se debilita en la superficie de hierro debido a la intervenci¨®n de los ¨¢tomos de potasio. Finalmente, los ¨¢tomos de aluminio facilitan que el hierro contin¨²e activo. Todos estos elementos est¨¢n presentes en el catalizador que descubrieron Haber y Bosch, y todos desempe?an un papel en alg¨²n paso de la reacci¨®n. La comprensi¨®n de los pasos at¨®micos de una reacci¨®n catalizada en una superficie es un logro formidable de Ertl.

Gerhard Ertl trabaja desde 1986 en el Instituto Fritz Haber de Berl¨ªn, que precisamente lleva el nombre del gran qu¨ªmico del siglo pasado. En los a?os setenta, Ertl y otros cient¨ªficos, entre los que destaca Gabor Somorjai, idearon una nueva forma de estudiar las reacciones catalizadas: como los catalizadores s¨®lidos s¨®lo pueden interaccionar con los reactivos a trav¨¦s de su superficie, puede esperarse que a trav¨¦s del estudio de las reacciones qu¨ªmicas en las superficies s¨®lidas podamos comprender el funcionamiento de los catalizadores.

La vida cient¨ªfica de Ertl ha estado marcada por el estudio de las superficies s¨®lidas con el objetivo de entender los mecanismos at¨®micos y moleculares que intervienen en una reacci¨®n catalizada, y la comprensi¨®n de los mismos ha sido su mayor ¨¦xito cient¨ªfico. En vez de estudiar catalizadores reales con propiedades mal controladas, Ertl decidi¨® investigar superficies s¨®lidas cristalinas, que poseen una configuraci¨®n at¨®mica ¨²nica. Para llevar a cabo este estudio y poder disponer de superficies s¨®lidas perfectamente caracterizadas, Ertl centr¨® su actividad durante muchos a?os en el desarrollo y perfeccionamiento de nuevas herramientas experimentales, un paso indispensable siempre que en la investigaci¨®n cient¨ªfica se quiere llegar un poco m¨¢s lejos que los dem¨¢s.

El primer requisito era poder alcanzar un vac¨ªo elevad¨ªsimo (ultra alto vac¨ªo), comparable al que existe en el espacio exterior, indispensable para mantener la limpieza y estabilidad de las superficies. A continuaci¨®n fue necesario desarrollar nuevas t¨¦cnicas espectrosc¨®picas y microsc¨®picas, entre las que destaca la microscop¨ªa de fotoemisi¨®n.

Ertl fue tambi¨¦n pionero en la aplicaci¨®n de la microscop¨ªa de barrido t¨²nel al estudio de reacciones qu¨ªmicas mientras tienen lugar. Asimismo utiliz¨® bajas temperaturas para frenar todo lo posible el movimiento at¨®mico y poder observar individualmente los distintos pasos de las reacciones qu¨ªmicas. Cuando una mol¨¦cula de un gas alcanza una superficie s¨®lida, puede rebotar o quedar atrapada en la superficie (adsorbida).

En algunos casos, la interacci¨®n de la mol¨¦cula con los ¨¢tomos de la superficie puede ser tan intensa que la mol¨¦cula se descomponga en unidades menores, como otras mol¨¦culas o incluso ¨¢tomos. Igualmente, la mol¨¦cula puede encontrar otras mol¨¦culas en la superficie y reaccionar qu¨ªmicamente con ellas. Un ejemplo importante es la adsorci¨®n de ox¨ªgeno en platino en funci¨®n de la temperatura. Si se a?ade mon¨®xido de carbono, esta mol¨¦cula reacciona con el ox¨ªgeno presente en la superficie de platino para formar di¨®xido de carbono. Se trata de un proceso de enorme inter¨¦s ambiental, dada la toxicidad del mon¨®xido de carbono, y cuyos pasos Ertl aclar¨® en los a?os noventa.

Estos estudios han encontrado gran aplicaci¨®n, por ejemplo en la industria de la automoci¨®n, donde se ha generalizado en la actualidad el empleo de catalizadores para mejorar la composici¨®n de los gases de escape y limpiarlos de gases t¨®xicos o nocivos para la atm¨®sfera, lo que constituye un hermoso ejemplo de la interacci¨®n entre la ciencia b¨¢sica y sus aplicaciones.

Se considera con raz¨®n a Gerhard Ertl uno de los creadores de una nueva disciplina, la fisicoqu¨ªmica de superficies s¨®lidas, que involucra por igual a f¨ªsicos y qu¨ªmicos. Profesor em¨¦rito desde 2004 en el Instituto Fritz Haber, ha realizado muchas de sus m¨¢s brillantes aportaciones y ha creado adem¨¢s una amplia escuela experimental. Gerhard Ertl es, adem¨¢s, una persona cordial y un hombre ¨ªntegro, que siempre ha antepuesto la honradez cient¨ªfica y la exactitud en su trabajo a cualquier otra consideraci¨®n.

Nazario Mart¨ªn Le¨®n es catedr¨¢tico de Qu¨ªmica Org¨¢nica en la Universidad Complutense de Madrid y presidente de la Real Sociedad Espa?ola de Qu¨ªmica. Enrique Garc¨ªa Michel es catedr¨¢tico de F¨ªsica de la Materia Condensada en la Universidad Aut¨®noma de Madrid.