LA QUIMICA Y LAS SUPERFICIES: QUIMICA INTERFACIAL Ernesto J. Calvo INQUIMAE. DQIAyQF. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Universidad de Buenos Aires, Pabellón 2, Ciudad Universitaria (E-mail:calvo@qi.fcen.uba.ar ) Gran parte de las ciencias experimentales y naturales están basadas en el lenguaje molecular de la química cuya capacidad es construir, comprender y manejar "moléculas ", medir y predecir sus propiedades, modelar su comportamiento y aplicarlo al armado en bloques para lograr materiales de propiedades predefinidas, reconocimiento molecular y diseño de dispositivos para la detección e identificación de especies químicas. Desde fines del siglo XIX, la expansión de la química brindó a la sociedad materiales plásticos, medicamentos, fertilizantes, herbicidas, armas y gran cantidad de sustancias de uso diario. Entre los nuevos desafíos de la química hoy cabe mencionar el procesado de las materias primas en forma sustentable (verde), la comprensión molecular del funcionamiento de la biología para mejorar la calidad de vida a través de la química, y copiar de la biología mecanismos (biomimética) para obtener materiales y energía sustentable con el ambiente, por ejemplo la fotosíntesis artificial para la conversión de energía solar en moléculas útiles y electricidad, el autoensamblado molecular basado en interacciones supra-moleculares altamente selectivas para desarrollar fuentes de energía alternativas al petróleo, uso prudente e inteligente de los recursos naturales, mejorar la salud humana, combatir el hambre, etc. Las interfaces entre fases o regiones de distintas propiedades físicas y químicas juegan un importante papel en la biología, los materiales, catálisis, conversión de energía química en eléctrica, detectores químicos de alta selectividad y sensibilidad, etc. Tal es su importancia que la existencia de cavidades delimitadas por membranas que separan la química en el interior de las células vivas respecto del medio exterior hostil a las biomoléculas ha permitido la vida en el planeta Tierra basada en procesos químicos en dichas interfaces. Dicha química interfacial es compatible con la continuidad de la vida en la Tierra, de ahí la importancia de la biomética que trata de compren-der y replicar la química en los seres vivos y aplicarla a procesos para conversión de energía, desarrollo de materiales, salud, protección del ambiente, alimentos, etc. El almacenamiento de energía eléctrica en energía contenida en los enlaces entre los átomos y la conversión de ésta nuevamente en energía eléctrica por ejemplo en baterías y en celdas de combustible ocurre debido a reacciones químicas en interfaces entre medios de diferente conductividad eléctrica, siendo dichas reacciones químicas las llaves o conmutadores para la conducción de la electricidad en dichas interfaces. En la detección de niveles de ultra vestigios de contaminantes en aguas, aire, suelos o en alimentos se requieren detectores químicos (en inglés “sensors” que proviene de los sentidos mediante los cuales exploramos nuestro ambiente) que permiten el reconocimiento molecular y la transducción de una señal óptica o eléctrica que luego pueda procesarse. Dichas etapas de reconocimiento molecular, transducción de información química en óptica o eléctrica requieren de la química en las interfaces, bien porque las superficies amplifican concentrando moléculas o bien porque lo hacen mediante procesos fotofísicos, fotoquímicos o electroquímicos. En la remediación de contaminantes en el aire, suelos o aguas las interfaces aportan gran área superficial en los coloides o en las estructuras tridimensionales porosas que permite la adsorción, es decir la interacción física y química de las moléculas que prefieren situarse en la superficie respecto del medio en contacto. La química de interfaces también resulta relevante en tratamientos y acabo de superficies, cuyas propiedades deben ser diferentes de los respectivos materiales en volumen, p.ej. en pinturas, cromados, niquelados, etc.; o bien en superficies funcionales con propiedades antibacterianas, superhidrofóbicas, autolimpiantes, catalíticas; o propiedades ópticas particulares (p.ej. lentes de contacto con superficie coloreada), superficies anti-reflectantes, etc. Los procesos de deterioro de materiales por corrosión y las tecnologías para su prevención están basados también en reacciones químicas en interfaces. En catálisis heterogénea para aplicaciones desde la petroquímica hasta la síntesis de fármacos, las reacciones químicas en interfaces determinan la selectividad y el grado de conversión del proceso. En particular, en una economía post petróleo la humanidad enfrenta el desafío de contar con procesos químicos sustentables para la fabricación fundamentalmente de fibras y combustibles que hoy se obtienen del petróleo. Dicha química debe ser sustentable (verde) desde la producción, durante su uso y aún en la etapa de desecho (debe planificarse la química de los procesos y productos “desde la cuna hasta el féretro”). En nanotecnología, las propiedades están determinadas por el tamaño en la escala del nanómetro o sea la escala de las moléculas (1 nanómetro es la mil millonésima parte de un metro), así la interacción con la luz, las propiedades magnéticas, eléctricas, temperatura de fusión, etc. cambian dramáticamente en dicha escala en relación a las mismas en escala macroscópica. En particular dado que la relación área/ volumen crece inversamente al radio de la partícula, las propiedades de la interfaces partícula/medio son fundamentales ya que a menor tamaño será mayor la superficie por unidad de volumen. La química que ocurre en dichas interfaces es de gran interés tanto científico como tecnológico: p.ej. en diagnóstico y terapéutica, en materiales como las nuevas pinturas para automóviles, nano partículas utilizadas para descontaminación, nuevos catalizadores en celdas de combustible, baterías de alta densidad de potencia en dispositivos electrónicos y en autos híbridos y eléctricos, etc. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA - Chemistry for Tomorrow’s World. A Roadmap for the Chemical Science. Royal Society of Chemistry, Londres, 2009. - P. Atkins, The Future of Matter, en The Next Fifty Years. Science in the First Half of the Twenty-First Century, J. Brockman (Edit.), Vintage, New York, p. 194-202. - The Age of the Molecule, Royal Society of Chemistry, Londres, 1999. - Basic Research Needs for Electrical Energy Storage, Office of Sciences, US Department of Energy, Washington DC, 2007.