VIDA CIENTÍFICA

Novedades científicas

en Química en el año

2003

LA "ECONOlVIIA" DEL

HIDRÓGENO: ASPECTOSTECNOLÓGICOS Y RETOSCIENTÍFICOS

Aparecen con cierta frecuencia enlos medios de comunicación, y también en la literatura científico-tec

nológica conceptos como: "economía del hidrógeno", "el vector energético hidrógeno", "producción deenergía limpia a partir del H2" o loque es peor "el hidrógeno comofuente de energía". Aparte de ciertasobviedades como que el elementohidrógeno es el más abundante en eluniverso, o que en nuestro planetase encuentra fundamentalmente

concentrado en moléculas de aguaen los mares, conviene, desde nues

tro punto de vista, revisar críticamente conceptos que empiezan a serde uso frecuente. Estamos hablando

de la utilización de las moléculas de

hidrógeno para la generación ytransporte de energía. Entra en estepunto en el escenario una nueva tecnología, las Pilas de Combustible,que no son más que dispositivos quehacen lo contrario de la electrólisis,

esto es recombinan hidrógeno y oxígeno para generar energía eléctrica(flujo de electrones). Véase porejemplo la dirección en Internet:http://www.appice.es/esp/2/l.htni.La producción de energía a par

tir de combustibles fósiles como

carbón, petróleo o gas naturalsiempre conlleva un impacto decontaminación atmosférica. En

realidad aunque mucho se ha avanzado en tecnologías energéticas,para nada se ha cambiado la reacción química que supuso el principio de la civilización humana, estamos hablando del fuego. Desdeentonces y hasta ahora la clásicareacción de combustión del carbo

no: C + O2 CO2 es nuestra principal fuente de energía (aparte delsol). Recordar aquí, que el CO2 yase considera como un contaminan

te atmosférico. Cabe la posibilidad

de recurrir a fuentes de energía

renovables (quizás algún día lleguela fusión nuclear). Hay que salirdel ciclo de combustión del carbo

no, y quizás el hidrógeno sea lamolécula química óptima en estecamino hacia vectores energéticoslimpios, que son los requeridospara un necesario desarrollo soste-

nible de nuestra civilización.

El hidrógeno no es una fuentede energía per se, ya que se trata deun compuesto químico sintético,obtenido a partir del gas natural,del petróleo o por una electrólisisdel agua. Por tanto no es una"energía limpia" ya que dependiendo de su método de producción puede ser altamente contaminante en su origen. Por ejemplo, siproducimos hidrógeno a partir delgas natural por reformado catalítico con vapor de agua (CH4 + 2H2O

CO2 + 4H:) se está emitiendoun mol de CO;. reconocido gas deefecto invernadero, por cada cuatro obtenidos de H2. Además estas

reacciones necesitan un gran apor

te energético, con lo que la constante simbiosis energía-contaminación entraría de nuevo en funcio

namiento. Este es el caso de los

autobuses de hidrógeno que circulan por Madrid, que no emiten CO2cuando circulan, pero que si loproducen en la instalación de rellenado del combustible H:, el cual se

obtiene del gas natural. Ahorabien, si produjésemos el H2 porelectrólisis del agua y utilizandouna energía eléctrica obtenidadesde una fuente de energía renovable (solar, cólica,...), podríamoshablar de un vector energéticohidrógeno absolutamente limpio,esto es, libre de emisiones conta

minantes en su obtención, y que ensu aplicación final solo dará lugara la inocua agua (sea en una Pilade Combustible o por combustióndirecta, como desde hace décadas

se aplica en los cohetes que envíannaves al espacio). Solo como inciso indicar que si se generalizase eluso del H2 y se emitiesen grandescantidades del mismo a la atmósfe

ra, al ser un gas ligero se elevaríaa las capas más altas. Ya se estáseñalando que habría que evaluar

el impacto de este nuevo gas en losequilibrios químicos que ocurrenen dichas capas atmosféricas (algoparecido a los problemas generados por los clorofluorocarbonos(CFC) en la capa de ozono) Enresumen, el H2 no es ni más conta

minante ni menos que otros combustibles (gas natural, petróleo,etc.) ya que no es en sí mismo una

fuente de energía. Pero una vezque se tiene el H2, y si se ha obtenido usando fuentes de energíarenovables y no contaminantes,mejor para el medio ambiente, síque es un vector energético que

produce nivel de emisión contami

nante cero.

Y ahora vamos con una noticia

en este sentido que recientementese ha dado en la revista EnergíasRenovables y que se tituló: " Loscoches de hidrógeno "sucio" contaminan más que los híbridos" yque presenta un estudio de investigadores del Massachusetls Instituto of Technology (MIT), que con

cluye que los motores de hidrógeno obtenido a partir de combusti

bles fósiles son y serán más contaminantes que los motores híbridos(que combinan electricidad congasolina). De acuerdo con dichoestudio, convertir gas natural ogasolina en hidrógeno para su utilización en estos vehículos generamayor contaminación y provocaun mayor consumo de energía queios derivados del uso de gasolinaen los vehículos híbridos. El MIT

añade que aunque los actualesmotores de hidrógeno se perfeccionen, no es probable que superena los híbridos en eficiencia energética y reducción de emisioneshasta 2020.

A partir de esta fecha, los investigadores estiman que el hidrógenoempezará a dejar de provenir delgas natural y será obtenido delagua mediante su separación a partir de fuentes energía renovables,como la cólica o la solar. En con

secuencia, será a partir de entoncescuando los motores de hidrógenose puedan considerar realmenteeficientes y limpios. No obstante,si queremos tener vehículos conemisiones de gases de efecto

100c¡as@uned

invernadero significativamentemás bajas, "el hidrógeno es laúnica opción eficaz identificadahasta ahora". Más información

sobre este aspecto en laweb.mit.edu/newsoffíce.

Nos encontramos también con

noticias como que: el Presidente dela Comisión Europea lanza la plataforma "Tecnología Europea para elhidrógeno y las pilas de combustible", cuya principal función es esbozar un plan general que facilite latransición de la UE de una economía

basada en los combustibles fósiles a

una economía del hidrógeno. Además se nos informa que el objetivode la UE es ir avanzando poco a

poco hacia una economía del hidrógeno plena, basada en fuentes deenergía renovables, de aquí a mediados de siglo. Pero, para hacer realidad esta idea, es necesario investigarmás en Europa, y con éste se hacreado dicha plataforma. Finalmentese indica que se espera que esta plataforma tecnológica sirva para eldesarrollo de una estrategia para elhidrógeno y las pilas de combustible, garantizando que la UE sea unode los líderes mundiales en la distri

bución y utilización de las tecnologías del hidrógeno (visítesebttp://europa.eu.int/comm/research/energy/nn/nn_rt_htpl_en.html). Esperemos que los químicos tengamos algo que decir.

Efectivamente tenemos retos tec

nológicos de gran calado: producción, purificación transporte del H2,pilas de combustible mejoradas, etc.

¿H2?

Pero también hay retos para los químicos. Vamos con un ejemplo: sepretende que los automóviles llevencomo combustible H2, un motor

eléctrico y una pila de combustiblepara transformar el H2 en electricidad. Numerosos prototipos de automóviles y autobuses circulan ya en la

UE y en EEUU (más informacióngenérica sobre estos temas puedeencontrarse en: http:/Avww.aeh2.erg/o en http:/Avw\v.ar¡ema.coni/).Pues bien uno de los principales problemas que se encuentran para que

se implanten estos vehículos es elpeso del deposito de combustible.Efectivamente aunque el Hi es ungas muy ligero en condicionesambiente, cuando hay que transportarlo en forma de gas los recipientesde acero que lo contienen hacen queel conjunto del sistema sea muypesado. Se habla en estos casos dedensidad energética, o sea la cantidad de energía que se puede producir por unidad de peso del combustible que se ha de desplazar. Se estimaque un sistema que permitiese transportar un seis por cierto de su pesode hidrógeno haria factible la aplicación del hidrógeno como combustible de automoción. En este puntoseñalar que existen varias formas dealmacenar o transportar el H2: comogas comprimido, y se esta hablandode llevarlo a presiones de 700 bar,como líquido, pero su temperaturade liquefacción es 20 K, en forma dehidruros metálicos (Ni, Pd, Mg,...)que descomponen a bajas presionesgenerando H2, etc. Más reciente

mente se han explorado las posibilidades de transportar el H: adsorbidoen nanotubos de carbono, e incluso

se indicó que este método llegaba asatisfacer el límite antes señalado

del 6% en peso útil para vehículos.Otro método más reciente propuestoes el uso de boraceno (BH3NH3)

como fuente de hidrógeno (verChem. & Eng. News, 2004, January5, pg. 24). Este compuesto es estable, no tóxico y con un alto contenido en H2 (15%). Además se puedepreparar mediante una reacción"sencilla y segura" entre carbonatoamónico y borohidruro sódico. Ladescomposición térmica delBH3NH3 ocurre a menos de 373 K

dando lugar a aminoborano(BH2NH2) y a boracina ((BHNH).,).Usando catalizadores metálicos ydisoluciones acuosas acidas estos

últimos descomponen liberando elH2.

En conclusión en este tema tan

cercano a las nuevas tecnolosías, se

ofrecen bastantes oportunidadespara que los químicos podamosdesarrollar nuestros conocimientos,

aplicar nuestra imaginación, y endefinitiva investigar.

Antonio Guerrero Ruiz

Dpto. de Química Inorgánica yQuímica Técnica

NANOTUBOS DE CARBONO

COMO TRANSISTORES

Después de casi eliminarlocomo energía calorífica, el carbónvuelve a ponerse de moda, ahoracomo semiconductor. Los nanotu

bos de carbono, el material experimental visto como un posiblematerial para la fabricación dechips que sustituya a los actuales,conduce la electricidad mejor quecualquier otro material a temperatura ambiente, según las investigaciones llevadas a cabo por la Universidad de Maryland.

La movilidad de los nanotubos de

carbono es cerca de un 70 por ciento más alto que la del silicio utilizado en los actuales procesos de fabricación y un 25 por ciento más altaque cualquier otro material de semiconductores conocido, según hanafirmado los investigadores en unreportaje publicado en Nano Let-ters.

La movilidad se calcula divi

diendo la conductividad de un

material por el número de cargasque puede transportar, o la cantidadde corriente que atraviesa el material. El resultado ofrece la veloci

dad a la que los electrones se mueven a través de un transistor.

Los fabricantes de chips utilizantransistores fabricados con una capade silicio en su parte superior sobrela que pasa la corriente eléctrica, quedespués fluye a través del transistorpara producir los millones de bits deinformación que ejecuta el ordenador. Como todo tiende a hacerse

cada vez más pequeño, se corre elriesgo, en este proceso de miniaíuri-zación de que la electricidad seacapaz de escapar de los transistores,provocando un aumento de la temperatura y el fallo del transistor.

VIDA CIENTÍRCA

Es por esta razón que los diseñadores están examinando el uso de

otros materiales, en este caso el uso

de ncmotubos de carbono como un

material alternativo para llevar laenergía a través de las obleas desilicio. Los ncmotubos son cilin

dros con paredes y cuya anchura essólo de un único átomo de carbono.

Ya que los átomos de carbono estánfuertemente unidos, más que losmetales utilizados en la producciónde transistores, los electrones quefluyen a lo largo de los tubos tienenmenos espacio para oscilar, lo quea su vez permite no sólo que hayauna mayor cantidad de energía,sino que ésta se mueva más rápidamente que a través de las interconexiones de cobre de los chipsactuales.

Por otra parte, los nanotubos decarbono no sólo pueden llevar laenergía a mayores velocidades quelos transistores de silicio, sino quetambién detectan variaciones eléc

tricas con mayor precisión que elsilicio. Esto permite a los nanotubosfuncionar con una mayor respuesta.

COMPORTAMIENTO

SEMICONDUCTOR DE

NANOTUBOS METÁLICOS

Un equipo de investigadores dela Universidad de California diri

gido por Roberí C. Haddon [Scien-ce, 301,1501 (2003)]. ha verifica

do las propiedades semiconductoras de los nanotubos metálicos a

los que se "fijan" diclorocarbenos.

Se trata de un efecto debido al

cambio de hibridación de los áto

mos de carbono en la pared delnanotiiho, que al pasar de sp- a sp-^provoca que la separación en lasbandas electrónicas corresponda aun semiconductor.

Por otra parte, en la universidadde Rice los profesores Michael S.Strano, James M. Tour y RichardE. Smally han puesto a punto técnicas químicas que permiten distinguir entre semiconductoresmetálicos y nanotubos de paredsimple (SWNT), tal y como se hapublicado recientemente [Science,301, 1519 (2003)]. E! método utili-

= m!^N=N

Nanotubometálico

calor

zado consiste en reducir una sal de

diazonio con un nanotubo de car

bono para dar lugar a un enlace C-

C. Puesto que los electrones devalencia de los nanotubos metáli

cos son más reactivos que los delos semiconductores, la primeraetapa del proceso implica que elnanotubo cede un electrón al reac

tivo (ver figura): por consiguiente,en una mezcla de nanotubos metá

licos y semiconductores los primeros reaccionan de forma completa,antes de que los semiconductoressean afectados. Un calentamiento

posterior provoca la ruptura de losenlaces covalentes con lo cual se

regenera el nanotubo original

NANOTUBOS COMO

FOTODETECTORES

En un artículo reciente [Nano

Lett.y 3, 1067 (2003)], Freiíag y

colaboradores dan a conocer sus

resultados acerca de la generaciónde corriente eléctrica cuando se

ilumina un nanotubo de carbono

simple. Esta conclusión completalo publicado ese mismo año acercade la verificación del procesoinverso.

El desarrollo de técnicas de con

trol y medida de luz y corriente eléctrica a escala microscópica es unpaso obligado en el diseño de dispositivos electro-ópticos minúsculos;como el fotómetro construido en el

centro de investigación de IBM enYorktown. Allí, el equipo dirigidopor P. Avouris, M. Freitag y R. Mar-tel ha puesto a punto un transistor deefecto de campo, en el cual un nanotubo de carbón simple actúa comocanal semiconductor capaz de conducir cargas positivas (huecos) ynegativas (electrones), donde los

pares electrón-hueco se originan al

100c¡as@uned

Nanotube

SUicon oxide

excitar el nanotuho con radiación

infrarroja.AI aplicar una diferencia de

potencial al dispositivo mientrasrecibe radiación, se han podidoseparar los portadores de carga y

estudiar cómo varía la corriente

eléctrica con la frecuencia de la

radiación incidente y la diferenciade potencial aplicada. Estos experimentos son continuación de los

que fueron efectuados previamente, aplicando al nanotubo unadiferencia de potencial acompañada de inyección de cargas positivas y negativas observando la emisión de luz que acompaña a larecombinación de portadores de

COMPORTAMIENTO

MECÁNICO DEL COBRENANOCRISTALINO

En su número de septiembre de2003 la revista Lettre des Sciences

Chimiques informa que investigadores del CNRS, pertenecientes alCentre d'etudes du clümie méta-

llurgiqiie (CECM) y del Laborcuoi-re d'inge'nerie des matériaiix et deshaittes pressions (LIMHP), han llevado a cabo ensayos de tracción,determinando cómo varia la defor

mación con la fuerza aplicadasobre muestras de cobre nanocris-

talino, material cuyo tamaño degrano es muy inferior al de losmateriales clásicos (un centenar de

nanometros frente a varias mieras).

Se trata de los primeros ensayosde tracción en un material con

grano tan fino (del orden de 80nanometros) llevados a cabo sobre

probetas de tracción de dimensiones usuales (35 mm en la longitudy 3,5 mm de diámetro). El cobreutilizado se obtuvo mediante dos

técnicas especiales: producción

masiva de polvo metálico ultrafi-no mediante evaporación-condensación criogénica y extrusióndiferencial en frío.

Las propiedades mecánicas delcobre nanocristalino son excepcionales, ya que es tres veces másresistente que el cobre ordinario, sedeforma de forma homogénea sinencogimiento local y, asimismo, hapodido constatarse por vez primeraun comportamiento elasto-plásticoprácticamente perfecto, a diferenciade lo que sucede en los materialesclásicos, cuya deformación es eminentemente heterogénea, aumen

tando con la fuerza aplicada y provocando fisuras previas a la rotura.

El comportamiento del cobrenanocristalino podría explicarsepor la gran difusión atómica y elpequeño tamaño de grano que permitirían activar los mecanismos

de tipo superplástico a temperatura ambiente.

Manuel Criado Sancho

Dpio. de Ciencias _v Técnicas

Fisicoquímicas

SEMBLANZAS DE LOS PREMIOS NOBEL

Premio Nobel de Física 2003

El Premio Nobel de Física 2003 ha

sido concedido a Alexei A. Abriko-

sov, Vitaly L. Ginzburg y AnthonyJ. Leggett "por sus contribucionespioneras a la teoría de los superconductores y los superfluidos".La superconductividad, es decir,

la brusca desapaiición de la resistencia eléctrica de un conductor por

debajo de una temperatura crítica.

fue descubierta por Heike Kamer-lingh Onnes en 1911; por ello recibió el Premio Nobel en 1913. La

superfluidez, es decir, la desaparición de la viscosidad, fue descubier

ta en el ■'He por Pyotr Kapitsa en1938; por ello recibió el PremioNobel en 1978. Finalmente, lasuperfluidez en el -^He fue descubierta por David Lee, Douglas Osheroff

MñAnthony J. Leggett

^Jj i

Vitaly L. Ginzburg Alexei A. Ahrícosov

y Robert Richardson en 1972, y porello recibieron el Premio Nobel de1996. (Ver 100cias@uned, n"0).

La superfluidez del ''He fue explicada por Lev Landau. Landau seencontraba en la cárcel y Kapitsaintercedió por él cerca de Stalin conel argumento de que era la únicapersona que podría explicarlo, loque elevaría el prestigio de la físicade la URSS a ¡os ojos del mundo.Dicho y hecho: Landau salió de lacárcel e hizo su teoría. Por ello recibió el Premio Nobel en 1962. Dehecho, la obra de Landau está en elorigen de los trabajos de los tresgalardonados con el Premio Nobelde 2003, por lo que se ha podidoafirmar que este premio era tambiénun segundo Premio Nobel concedido póstumamente a Landau.

La superfluidez del "'He es (o parece ser) un ejemplo de condensaciónde Bose-Einstein. Los núcleos del ^He