El poder invisible del triángulo metálico
¿Por qué se puede producir amoníaco con un triángulo de átomos de hierro, pero no con uno de cromo?
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Dos materiales casi idénticos, pero con un comportamiento químico totalmente diferente: equipos de investigación de la Universidad de Viena y de la Universidad Técnica de Viena estudiaron catalizadores con los que se puede aprovechar la energía de la luz solar para producir amoníaco. Sorprendentemente, se descubrió que, si se sustituyen tres átomos de hierro —dispuestos en diminutos triángulos en dichos catalizadores— por átomos de cromo, la reacción química deja de producirse.
Ahora se ha logrado explicar el motivo: las estructuras triangulares de hierro y cromo tienen propiedades magnéticas muy diferentes, y son precisamente estas propiedades magnéticas las que determinan si el material es apto como catalizador o no. Ambos equipos de investigación forman parte del clúster de excelencia MECS (Materials for Energy Conversion and Storage) de la FWF, que se dedica al desarrollo de nuevos materiales para la transición energética.
La producción de fertilizantes, un proceso que consume mucha energía
El amoníaco es indispensable para la humanidad: los fertilizantes a base de amoníaco ayudan a alimentar a una gran parte de la población mundial. Sin embargo, la producción industrial de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno suele requerir altas temperaturas y alta presión, por lo que consume una cantidad enorme de energía. Por ello, se está trabajando en una alternativa que requiera menos energía: los fotocatalizadores son materiales especiales e innovadores que absorben la luz solar y aprovechan su energía para convertir el nitrógeno en amoníaco.
«Los compuestos de estructuras metalorgánicas son candidatos muy prometedores para ello», afirma Jana Bischoff (Universidad Técnica de Viena). «Se trata de cristales que contienen pequeñas cavidades. Su estructura está formada por nodos con átomos metálicos, unidos entre sí por moléculas orgánicas».
El equipo investigó una estructura denominada MOF MIL-101. En ella, cada nodo cuenta con tres átomos metálicos dispuestos en triángulo alrededor de un átomo de oxígeno central. Esta estructura puede fabricarse con diferentes tipos de átomos metálicos sin alterar el esqueleto. Sin embargo, desde el punto de vista químico, la diferencia es enorme: con átomos de hierro, la estructura puede producir amoníaco bajo la acción de la luz, mientras que con cromo esta reacción no se produce.
En un principio, se intentó explicar esta diferencia por el número diferente de electrones. Sin embargo, ahora el equipo ha descubierto que lo que desempeña un papel decisivo es la orientación magnética de los átomos: el denominado «espín».
A tres no se pueden mirar a los ojos
El espín de un átomo de este tipo puede adoptar diferentes estados. En esta estructura cristalina, es conveniente que los átomos vecinos tengan direcciones de espín lo más opuestas posible: por ejemplo, uno hacia arriba y el otro hacia abajo. «Pero en nuestro catalizador nos encontramos ante un triángulo formado por tres átomos de hierro», explica Patrick Lechner (Universidad de Viena). «Esto significa que los dos primeros átomos de hierro pueden adoptar direcciones magnéticas opuestas, pero el tercero ya no puede cumplir este requisito». A este fenómeno se le denomina «frustración magnética».
«Es como si tres personas sentadas a una mesa quisieran sentarse todas exactamente una frente a otra», explica Patrick Lechner. «Las dos primeras pueden mirarse directamente a los ojos. Pero que las tres lo hagan al mismo tiempo es imposible».
Un triángulo de cromatones, en cambio, se comporta de manera fundamentalmente diferente: aquí, dos de los átomos establecen un acoplamiento magnético mucho más estrecho y forman, en cierto modo, una pareja. El tercero solo se acopla débilmente a ellos, como si dos personas se giraran la una hacia la otra y hablaran directamente entre sí, mientras que la tercera persona se queda al margen.
Lo importante es la intensidad del acoplamiento
Ahora se ha demostrado que estos diferentes acoplamientos magnéticos están estrechamente relacionados con el hecho de que el nitrógeno se une a los átomos metálicos con diferente intensidad desde el exterior. En el caso de los átomos de hierro, con su «frustración magnética», se produce una fuerza de enlace moderada entre el hierro y el nitrógeno: lo suficientemente fuerte como para retener este nitrógeno y transformarlo en amoníaco, pero lo suficientemente débil como para liberar posteriormente los átomos de nitrógeno. Esto es casi óptimo: de este modo se puede generar una molécula de amoníaco tras otra.
En el caso de los átomos de cromo, sin embargo, se produce un enlace con el nitrógeno significativamente más fuerte. Esto significa que dicho nitrógeno ya no puede liberarse con la suficiente rapidez, el sitio metálico permanece ocupado y la estructura ya no puede retener más nitrógeno. Por lo tanto, esta estructura no es adecuada como catalizador.
El trabajo del equipo demuestra que, incluso con una estructura cristalina por lo demás totalmente idéntica, la elección del metal puede determinar cómo interactúan los espines. «Esta huella magnética es una clave importante para comprender cómo funcionan estos materiales como catalizadores», subraya Leticia González (Universidad de Viena).
«Ahora podemos observar, en cierto modo, cómo los átomos metálicos se «comunican» magnéticamente entre sí en un nodo de estos cristales, y qué efectos tiene esto en el comportamiento del material como catalizador», afirma Dominik Eder (Universidad Técnica de Viena). «Se trata de un paso importante hacia una producción de amoníaco que ahorre energía».
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.
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