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La observación es la clave para poder comprender los fenómenos naturales y la base del método científico. Todos los métodos de análisis, desde los más sencillos como un lente de aumento hasta los más complejos sistemas como el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, tienen en su corazón el mismo principio: observar. Por ejemplo, para prevenir la propagación del virus SARS-CoV-2, tuvimos que ser capaces de observar la presencia del patógeno en el cuerpo y muchas mediciones usando pruebas de detección tuvieron que ser realizadas. Con ello, se promovió el desarrollo de nuevos métodos analíticos, más eficientes y de mayor disponibilidad. Este es un perfecto ejemplo de que los esfuerzos conjuntos pueden dar solución a nuestras más apremiantes necesidades.
Subyacente a la urgencia sanitaria actual, existe otro gran problema que ha pasado a segundo término y es el calentamiento global. Mucho se ha hablado al respecto [1], propuestas se han escrito, acuerdos se han firmado [2], y, en gran medida las respuestas circulan sobre transitar a energías renovables, como las celdas de combustible y la energía solar. Aunque en papel estas tecnologías ofrecen una solución casi perfecta, en la práctica aún no existen materiales en abundancia o desempeño suficiente que puedan proveer la energía o eficiencia que necesitamos. El problema se encuentra tras las reacciones químicas que limitan estos desempeños, como la reducción de oxígeno, o la de CO2. Aun cuando en principio es la misma reacción, los mecanismos (los pasos necesarios) a través de los cuales proceden dichas reacciones, no son iguales para los diferentes materiales o condiciones de trabajo. No solo es interesante, sino importante entender estos mecanismos de reacción, ya que nos permiten identificar los pasos involucrados en los que estos procesos se llevan a cabo. Más importante aún, podríamos encontrar cual es el paso limitante y el aspecto que debe ser mejorado, lo cual puede tener un impacto revolucionario en las tecnologías que se deriven de estas reacciones.
Entender las sutiles diferencias entre los mecanismos de reacción no es tarea fácil, dado que en estos métodos de análisis vemos solo una parte de la evidencia de las transformaciones químicas: un trozo de la molécula (grupo funcional), un cambio de energía, la variación en una frecuencia específica. Un rompecabezas con trozos de información, que en ocasiones requieren el uso de costosos instrumentos y métodos de detección, debe ser resuelto para dar sentido a las observaciones experimentales. Y a pesar de los avances tecnológicos, la comprensión humana en estos terrenos no progresa con la misma velocidad.
Como disciplina, la electroquímica ha sido reconocida por su elevada precisión para la evaluación de estos mecanismos de reacción. Una serie de técnicas que controlan potenciales (voltajes) y corrientes directas, es el arsenal con el que cuenta la electroquímica para cuantificar hasta el más pequeño de los cambios en estas reacciones. Y todo es gracias a que el eje sobre el que se basa la disciplina utiliza como reactivo una partícula elemental; el electrón, dotándole de una precisión y sensibilidad excepcional. Entonces, todas aquellas transformaciones en las que intervenga la carga eléctrica (reacciones redox), pueden ser evaluadas por los conceptos que cimentan la electroquímica. Recientemente, comparado con los más de 200 años de existencia de la electroquímica, los métodos basados en corriente alternante se volvieron disponibles en la mayoría de los laboratorios de electroquímica del mundo. La técnica que se postuló como favorita para desenredar los intricados mecanismos gobernantes de las reacciones electroquímicas recibió el nombre de espectroscopía de impedancia electroquímica. Y, nuevamente, la fórmula se repitió: la tecnología nos alcanzó y nuestro entendimiento sobre la técnica denotaba una marcada pobreza. Unas décadas han pasado desde entonces y estamos llegando a los límites de la técnica, donde se esboza la posibilidad de que nuevas técnicas electroquímicas permitan llenar los vacíos de conocimiento.
En el CIDETEQ, un centro de investigación con especialidad en Electroquímica, desarrollamos una técnica que fue propuesta como una alternativa con potencial para explorar los mecanismos de reacciones electroquímicas basada en la corriente alterna y en los métodos del tipo generador-sensor. Esta técnica recibe el nombre de eficiencia de colección compleja (CCE, por sus siglas en inglés Complex Collection Efficiency), y su fundamento se apoya en la detección de una molécula empleando un conjunto de electrodos con capacidad de producir y medir rápidamente la especie química de interés [3]. Debido a que la CCE utiliza perturbaciones de corriente o potencial alternantes, la frecuencia se vuelve un parámetro que puede ser empleado para determinar información cinética relevante, tales como las constantes de velocidad de reacción. Como elemento innovador, en el CIDETEQ hemos llevado todo el sistema a la escala micrométrica, el reino de la microfluídica, donde el control del flujo en régimen laminar es un parámetro modulable adicional. Con ello, la velocidad con que se alimentan los reactivos está completamente definido, el volumen en el cual se encuentra el producto de reacción es finito, conocido y entonces, su tasa de producción y detección puede teorizarse bajo modelos computacionales. Así, podemos estudiar una enorme cantidad de materiales para reacciones específicas; habiendo construido un modelo matemático previo a la experimentación. Finalmente, al aplicar correctamente estos conceptos, nos permite diseccionar el proceso global de la reacción, enfocarnos en los pasos individuales y observarlos a detalle como si estuviéramos viendo en una secuencia de cámara lenta. A este punto queremos llegar, a observar con detalle lo que ocurre a nivel molecular con precisión cuantitativa y cualitativa de las especies químicas implicadas en las reacciones.
Actualmente, colaboramos con el Dr. Thomas Holm del Instituto para Tecnologías en Energía (IFE, Noruega) y con el financiamiento del CONACyT en su convocatoria de Ciencia de Frontera 2019-1. Junto con el Dr. Raúl Ortega Borges y el Dr. René Antaño López nos enfocamos en estudios que combinan la técnica de CCE en plataformas microfluídicas para retomar la comprensión en reacciones como la reducción de oxígeno y de CO2. Con este nuevo enfoque, donde tenemos mayor control de parámetros y empleamos herramientas computacionales modernas, pretendemos aportar información que puede llenar esas lagunas de conocimiento donde aún no entendemos cómo y por qué existen estas limitantes materiales. Los posibles resultados de esta investigación podrían darnos pautas para mejorar el diseño de modernos electrocatalizadores y, así, reducir la brecha para el despliegue masivo de las energías limpias.
* El doctor Jesús Adrián Díaz Real es investigador asociado en la Coordinación en Energía, del Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica S.C. (CIDETEQ) en Querétaro, México.
CIDETEQ
jdiaz@cideteq.mx
Referencias
[1] https://www.cronica.com.mx/academia/superficies-modificadas-alternativa-remocion-contaminantes-ambiente-cambio-climatico.html
[2] https://unfccc.int/process-and-meetings/the-paris-agreement/the-paris-agreement
[3] https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2019.04.026
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