¿Qué son los sistemas catalíticos estructurados?

Empezaremos por definir lo que entendemos por catalizador. Si acudimos a la definición que proporciona la Real Academia Española (RAE), comprobamos que, en su primera acepción, un catalizador es:

“1. adj. Quím. Dicho de una sustancia: Que, en pequeña cantidad, incrementa la velocidad de una reacción química y se recupera sin cambios esenciales al final de la reacción” (1).

Un catalizador, básicamente, facilita la ruptura de ciertos enlaces químicos entre átomos existentes en las moléculas que reaccionan y favorece la formación de otros nuevos enlaces, permitiendo así la generación de nuevas moléculas, esto es, de los productos de la reacción.

Un aspecto importante, como bien se deduce de la definición de la RAE, es el hecho de que, una vez completada la reacción, el catalizador debe poder recuperarse y encontrarse disponible de nuevo para volver a catalizar la reacción de más moléculas, sin haber sufrido alteraciones notables. Idealmente, el catalizador debiera de recuperar su estado inicial tras de haber participado en el proceso de reacción acelerándolo. En la práctica, hay múltiples casos en los que la sustancia o el material que actúa como catalizador sufre paulatinamente cambios en sus propiedades físicoquímicas o en su estructura. Esto provoca que, a menudo, el catalizador se encuentre sometido a alteraciones notables que pueden hacerle perder eficacia en su acción catalizadora e, incluso, verse inutilizado por completo transcurrido un cierto tiempo.

Así pues, los catalizadores son sustancias que facilitan el desarrollo de reacciones químicas al contribuir a acelerar notablemente el proceso de reacción, pero sin ser uno de los elementos reaccionantes. En multitud de reacciones llevadas a cabo a nivel industrial, se utilizan catalizadores para poder obtener los productos de reacción en un tiempo razonable y en una cantidad apreciable. Incluso en nuestra vida diaria, nuestros actos más cotidianos pueden requerir del empleo de catalizadores para facilitarnos las cosas o para lograr mantener un entorno de vida más saludable y menos expuesto a sustancias nocivas.

Un ejemplo sencillo lo podemos encontrar en los convertidores catalíticos de los gases de escape de nuestros vehículos de combustión. En dichos vehículos, los gases de escape son obligados a atravesar un dispositivo con una geometría particular en cuyas paredes internas se encuentra depositada la capa de material que actuará como catalizador de varias reacciones químicas. Estas reacciones químicas permiten que, tras haber atravesado este pequeño reactor catalítico, los gases que se emiten por el tubo de escape sean mucho menos nocivos. En pleno funcionamiento del convertidor catalítico, las únicas sustancias que se emiten por el tubo de escape son nitrógeno (N2), dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

Motor Diagrama esquemático del interior de un convertidor catalítico de un automóvil. Adaptado de (2).

Existen múltiples catalizadores para infinidad de reacciones químicas. Así, podemos encontrar toda clase de catalizadores que presentan numerosos formatos: los hay desde sustancias líquidas que pueden mezclarse con otros reactivos líquidos, pasando por otros en forma de lecho de partículas sólidas granulares que se ponen en contacto con reactivos en un medio fluido, ya sea líquido o gaseoso, hasta llegar a materiales catalíticos muy avanzados, como los de los convertidores catalíticos de la imagen anterior. Estos últimos, por encontrarse depositados sobre un sustrato con una estructura geométrica dada, son los que denominamos catalizadores estructurados, y los reactores químicos en los que se colocan son, por lo tanto, reactores catalíticos estructurados.

Estos catalizadores y sistemas de reacción estructurados representan un notable avance en el campo de la ingeniería de reactores, ya que combinan una serie de características que los convierten en tecnologías altamente innovadoras y eficientes. Entre sus principales ventajas, cabe destacar que permiten una mejor gestión del calor intercambiado en el proceso de reacción, así como una mejora en la transferencia de materia durante la reacción química, facilitando así el contacto entre los reactivos y el material catalítico y también el proceso de liberación de los productos de la reacción, por lo que estos pueden abandonar el reactor mucho más rápidamente.

En el desarrollo de este tipo de materiales avanzados, se precisa una aproximación multidisciplinar. Así, es necesario combinar una serie de saberes y disciplinas que involucran, entre otras, a la química, la ingeniería química, la ingeniería térmica y de materiales, la mecánica de fluidos, las matemáticas e, incluso, la informática. Ello supone una oportunidad magnífica para que científicos y profesionales de diferentes ámbitos de la ciencia y la tecnología participen, de manera conjunta, en el desarrollo de estas pequeñas obras de arte que mejoran nuestra calidad de vida y nos permiten obtener, de manera mucho más eficiente y rápida, numerosos productos que nuestra sociedad necesita y demanda.

 

(1) Definición de catalizador, Diccionario de la lengua española de la Real Academia de la Lengua Española (RAE): https://dle.rae.es/?w=catalizador

(2) Universidad de California en Berkeley (EE.UU.), 2009:

http://www.cchem.berkeley.edu/molsim/teaching/fall2009/catalytic_converter/bkgcatcon.html

 

Esta entrada al blog ha sido elaborada por Fernando Bimbela Serrano, investigador del Grupo de Reactores Químicos y Procesos para la Valorización de Recursos Renovables del Instituto de Materiales Avanzados (InaMat) de la Universidad Pública de Navarra (UPNA)

La actriz a la que le debemos el GPS

Cada vez tenemos menos mujeres en las carreras llamadas STEM (que en inglés significa Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas). Sin embargo, en la totalidad del sistema universitario español, casi el 60% de los estudiantes son mujeres.

Podemos preguntarnos las causas de por qué ocurre esto. Por un lado, es muy importante la educación. Hay muchas familias, padres y madres, que consideran que las carreras STEM, como las ingenierías, son cosa de hombres. Sin embargo, esto no es cierto, ya que las carreras STEM tienen un elemento social muy valorado por las mujeres. Por ejemplo, en ingeniería queremos inventar nuevos dispositivos que puedan mejorar la calidad de vida de las personas y eso, sin lugar a dudas, tiene claramente un fin social, muy apreciado por la sociedad en general y, especialmente, por las mujeres. Además, se necesitan, y se van a necesitar para el año 2020, profesionales STEM que deberían ser mujeres al menos en un 50%.

Por otro lado, también está la carencia de referentes femeninos para explicar la falta de interés de las chicas por las carreras técnicas. Desgraciadamente, en las ingenierías de la universidad, las mujeres estamos en clara minoría dentro de las plantillas de personal docente e investigador y, si no hay maestras, no hay alumnas.

Conocer a las ingenieras del pasado

Por todo ello, es preciso movilizarse y hacer algo para visibilizar a las mujeres que trabajamos en STEM. En este sentido, hay que mencionar las acciones de fomento de las ciencias llevadas a cabo por la Real Academia de Ingeniería, con diversas actividades para potenciar la inclusión y la vocación de niñas y jóvenes en este ámbito con el fin de desterrar la concepción de que las mujeres que tienen vocación por esas áreas son raras o “frikis”.

La UPNA (Universidad Pública de Navarra) no se queda atrás en este campo. Así, ofrece a los centros de enseñanza un programa de charlas de divulgación científica, en las que el profesorado acude a los centros escolares. También organiza las Semanas de la Ciencia, durante el mes de noviembre, ofertando actividades para diferentes públicos, por citar dos ejemplos.

Otra actividad que quiero destacar es la obra de teatro titulada “Yo quiero ser científica“, en la que nueve profesoras de la Universidad damos vida a mujeres científicas del pasado. En ella, visibilizamos a estas mujeres y contamos su historia de una manera positiva, comentando los problemas que tuvieron que vencer en su época para poder desarrollarse como científicas. Esto concluye con un coloquio final, donde le contamos al público (fundamentalmente, escolares) a qué nos dedicamos en nuestra carrera investigadora actual y así poder dar a conocer el papel de la mujer en la ciencia en este momento.

Actriz e ingeniera

En esta obra de teatro interpreto a Hedy Lamarr, llamada, en realidad, Hedwig Eva Maria Kiesler. Esta austríaca, nacida en 1914, fue actriz de cine e inventora. Mujer adelantada a su tiempo, su gran contribución a la sociedad consistió en una patente que permitiría las comunicaciones inalámbricas.

Hedy Lamarr

Hedy era hija única de un matrimonio acomodado de origen judío. Su madre era pianista y su padre, banquero. Desde pequeña, destacó por su inteligencia y fue considerada por sus profesores como superdotada. Empezó sus estudios de ingeniería a los 16 años, pero los abandonó para dedicarse al mundo del escenario. Por eso, fue a Berlín para estudiar arte dramático.

Fue precisamente actuando donde conoció al que sería su marido, Friedrich Mandl, un rico y poderoso fabricante de armamento que arregló con sus padres un matrimonio de conveniencia, en contra de la voluntad de Lamarr. Fue tratada como una esclava y aprovechó su soledad para continuar sus estudios de ingeniería.

Finalmente, Lamarr se escapó de su marido refugiándose en París y, posteriormente, en Londres. Vendió sus joyas y huyó a los Estados Unidos. En el mismo barco en el que se trasladó a Estados Unidos, consiguió un contrato como actriz y comenzó a llamarse Hedy Lamarr.

Gracias, Lamarr, por la WIFI

Lamarr conocía los horrores del régimen nazi por su marido Mandl, simpatizante del fascismo, y por su condición de judía, y ofreció al gobierno de los Estados Unidos toda la información confidencial de la que disponía. Además, quería contribuir a la victoria aliada, por lo que se puso a trabajar para la consecución de nuevas tecnologías militares, elaborando un sistema de comunicaciones secreto.

Hedy Lamarr pasó a la historia no sólo por su aportación al séptimo arte, sino también por sus descubrimientos en el campo de la defensa militar y de las telecomunicaciones. Así, ideó junto a su amigo, el compositor George Antheil, un sistema de detección de los torpedos teledirigidos. Este sistema estaba inspirado en un principio musical. Funcionaba con ochenta y ocho frecuencias, equivalentes a las teclas del piano, y era capaz de hacer saltar señales de transmisión entre las frecuencias del espectro magnético. Fue patentado y le llamaron el Sistema Secreto de Comunicaciones. Estados Unidos lo utilizó por primera vez durante la crisis de Cuba y, después, como base para el desarrollo de las técnicas de defensa antimisiles.

Finalmente, se le dio utilidad civil en el campo de las telecomunicaciones, siendo precursor de las comunicaciones inalámbricas, el bluetooth, la comunicación de datos WIFI que disfrutamos todos hoy en día o el GPS que tan útil nos resulta cuando viajamos.

 

Esta entrada al blog ha sido elaborada por Silvia Díaz Lucas, doctora en Ingeniería de Telecomunicación, profesora del Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación de la Universidad Pública de Navarra (UPNA), donde también es investigadora en el Instituto de Smart Cities (ISC) y subdirectora de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación (ETSIIT); es autora e intérprete de la obra “Yo quiero ser científica”, en la que da vida a la actriz y tecnóloga Hedy Lamarr

Nota: la versión original de este artículo se publicó en “The Conversation”