La Unión Internacional de Química Teórica y Aplicada (UIQTA) declara cada año 10 tecnologías químicas que se encuentran en gran expansión. Estas son las de este año 2023 (presentadas sin ningún orden especial):
Despolimerización
La descomposición de los polímeros en sus monómeros es una solución al problema de los plásticos especialmente adecuada para polímeros de condensación como el tereftalato de polietileno, las poliamidas y los poliuretanos. Funciona especialmente bien la despolimerización asistida por microondas.
Unos polímeros especialmente interesantes son las polidicetoenaminas, cuyos enlaces covalentes son fáciles de romper incluso por métodos mecanoquímicos simples.
Para que la despolimerización sea más productiva deberían diseñarse más racionalmente los polímeros, reduciéndose o, mejor, eliminándose los aditivos.
Además, procesos de alta temperatura como la pirólisis y la gasificación pueden convertir polímeros como el polietileno y el polipropileno en fragmentos moleculares más pequeños que, aunque no son monómeros, sí son materias primas de interés.
Aparte de todo eso, el problema se paliaría si se crearan plásticos seguros y sostenibles. Los últimos avances en modelización molecular podrían ayudar a anticipar y predecir posibles problemas de contaminación, efectos secundarios de degradación y la viabilidad de las reacciones de reciclaje.
Reciclado biológico de tereftalato de polietileno
El descubrimiento y la caracterización de enzimas que podían hidrolizar y degradar de forma natural polímeros y plásticos ha abierto un mundo de nuevas posibilidades para la reutilización y el reciclaje. Un desarrollo especialmente interesante es una enzima que hidroliza tereftalato de polietileno en sus componentes básicos con excelente rendimiento.
Eliminación de CO2 oceánico
Los océanos absorbe una cuarta parte de todas las emisiones de dióxido de carbono, pero el exceso está acidificando el agua del mar y afectando a la vida marina. Ahora bien, ese exceso podría convertirse en una reserva de carbono no procedente de combustibles fósiles. En ese sentido, la captura electroquímica de dióxido de carbono del agua de mar se ha convertido en una estrategia interesante para obtener combustibles sintéticos y materias primas químicas a gran escala.
Actualmente la eliminación de CO2 depende de la electrodiálisis de membrana bipolar, una tecnología cara y poco eficiente. Por eso el método se quiere sustituir por otro que evite las membranas. Consiste en el uso de electrodos a base de bismuto, bombas y sistemas de separación de gases. Se espera que esta tecnología pueda reducir y revertir la acidificación de los océanos.
Hidrógeno fotocatalítico
El hidrógeno verde es una alternativa esperanzadora a los combustibles fósiles, siendo un método viable para almacenar el exceso de energía de fuentes renovables intermitentes, como la solar y la eólica. Se estima que el hidrógeno limpio podría reducir más de 700 millones de toneladas de dióxido de carbono al año. Sin embargo, hoy en día, el 99 % del hidrógeno sigue proviniendo de combustibles fósiles.
La electrólisis del agua es un método de producir H2 que está funcionando bien, pero se buscan otros métodos y entre ellos está el fotocatalítica, que solo requiere recursos renovables: luz solar y agua. Sus principales caballos de batalla son mejorar el rendimiento (relacionado con la estructura de bandas del catalizador, cuya brecha prohibida debería reducirse) y funcionar con un intervalo de longitud de onda más amplio.
Un reto adicional es la separación del hidrógeno de forma segura para reducir el riesgo de explosión. Tecnologías como las membranas, las redes metaloorgánicas y, más recientemente, los hidrogeles, han surgido como capaces de paliar el problema.
En cuanto a los catalizadores, se piensa en emplear enzimas. Ahí habrían de intervenir herramientas como la ingeniería genética de microorganismos y la evolución dirigida de enzimas.
Músculos artificiales
Los músculos artificiales son sistemas altamente adaptables y flexibles para aplicaciones como prótesis, exoesqueletos y dispositivos biomédicos como pinzas, mecanismos de microcirugía y otros más. También son fundamentales en robótica, ya que gracias a ellos los robots podrían tener un control más preciso y una mejor capacidad de respuesta con movimientos más realistas.
La investigación en este campo está siponiendo un esfuerzo multidisciplinar cuyo objetivo es conseguir dispositivos que se contraigan, expanden o retuerzan en respuesta a diferentes estímulos externos como la electricidad, la temperatura, el pH o la luz.
Se trata de sintetizar estructuras que imiten a los músculos, teniendo igual o mejor funcionalidad y capacidad de respuesta. Se ha buscado inspiración en microfilamentos de insectos que emulan los movimientos y microestructuras de la miosina y la actina, las principales proteínas musculares.
Con una combinación de elastómeros de cristal líquido y una matriz de grafeno se puede imitar la miosina y la actina con ventajas adicionales como las buenas propiedades mecánicas y de transmisión de señales eléctricas, claves en la actuación y la locomoción. Esta tecnología se patentado como “fibras Hércules“. También se piensa en polímeros elastómeros.
Sensores portables
La pandemia de COVID-19 aceleró el interés hacia los sensores portables que son sensores que, como su nombre indica, llevamos encima, especialmente para monitorizar nuestra salud y detectar precozmente enfermedades. Estos dispositivos miden variables relacionadas con estado físico, los patrones de sueño o funciones bioquímicas (niveles de glucosa, pH, lactato, ácido úrico, iones, citoquinas…) y las envían a un receptor que permite al médico seguir el estado de salud del paciente. La información que proporcionan es una alternativa no invasiva y de bajo costo a los ensayos clínicos clásicos basados en la extracción de sangre.
Los sensores bioquímicos actuales suelen convertir señales químicas en pulsos eléctricos, pero actualmente se exploran otros métodos de detección basados en lecturas espectroscópicas de fluorescencia o Raman, medidas de impedancia o ultrasonidos. Estos disposititvos han de ser biocompatibles, flexibles, durables y cómodos de llevar.
Relacionado con esto, se está avanzando mucho en las tecnologías de microagujas que además de detectar biomarcadores podrían ofrecer opciones para la administración inmediata de fármacos en respuesta.
Terapia con bacteriófagos
La terapia con bacteriófagos (o fagos) es una estrategia a base de virus con muchas posibilidades para combatir infecciones bacterianas que ha surgido en un momento en que realmente se necesita, ya que la resistencia a los antimicrobianos está aumentando alarmantemente.
Además, las investigaciones en los últimos años están demostrando que estas terapias son válidas también en la lucha contra el cáncer y en nuevas aplicaciones de nanomedicina como el estudio de las interacciones de proteínas. Incluso tienen aplicaciones en la creación de andamios para la regeneración de tejidos.
Hay virus bacteriófagos líticos y atemperados o lisógenos. Los primeros infectan bacterias y se reproducen en su interior, hasta que la multitud de duplicados destruye físicamente al hospedador; los segundos basan más su acción destructiva en integrar su ADN en el cromosoma del hospedador mediante recombinación. Estos han encontrado aplicaciones en tratamientos dirigidos contra el cáncer, el accidente cerebrovascular, los defectos óseos y otros.
La química está aportando técnicas de encapsulación y administración controlada de los fagos (liposomas, nanopartículas, hidrogeles o estructuras metaloorgánicas), aumentando su estabilidad y la protección contra la degradación y mejorando la disponibilidad y la orientación del sitio activo.
Los fagos también se están aplicando en la nueva disciplina denominada química supramolecular, que se halla en las fronteras de la química, la ciencia de materiales y la medicina.
Vacunas contra glicanos víricos
Los glicanos (oligo y polisacáridos) cubren y protegen a la mayoría de las estructuras biológicas (ácidos nucleicos, lípidos, proteínas y células en general) y además desempeñan funciones de respuesta inmunitaria, reconocimiento de receptores, comunicación, señalización e interacción.
En particular, las proteína de la espícula del virus causante de la enfermedad por coronavirus de 2019 tiene una protección de glicanos que además desempeña un papel clave en en el proceso de reconocimiento de receptores. Los investigadores descubrieron que la eliminación de la cubierta de azúcar de la proteína de la espícula parece proporcionar una poderosa protección contra la infección porque expone regiones del virus que producen una mejor respuesta inmunitaria. Esta puede ser la base de las ansiadas vacunas universales antivíricas.
Una solución similar es el llamado “recorte de glicanos”, consistente en modificar la glicoproteína vírica para mejorar la respuesta inmunitaria.
Síntesis por vía electroquímica
Actualmente, la electroquímica permite una gran variedad de transformaciones que no son sencillas sin la contribuión de la energía eléctrica, como las reacciones de oxidación y fluoración de enlaces carbono-hidrógeno. En general, la electrosíntesis está íntimamente ligada a la química verde.
Recientemente se ha podido realizar por métodos electroquímicos la reducción selectiva de los grupos carbonilo, incluso en presencia de otros grupos electroactivos, gracias a la corriente alterna. También ha mejorado procesos industriales como el método Baizer para fabricar adiponitrilo, clave en la producción de nailon. Otro ejemplo es la síntesis de toluenos sustituidos.
Aplicaciones químicas de transformadores generativos entrenados
Los programas de “inteligencia artificial” (IA)” han mostrado ya su utilidad en química. Por ejemplo, una herramienta llamada ChemCrow es capaz de planificar rutas sintéticas, hacer análisis automatizados y mucho más. Incluso dispone de controles de seguridad para evitar la preparación accidental de productos potencialmente dañinos como explosivos o armas químicas.
Algunos estudios sugieren que estos programas “entienden” problemas químicos complejos mejor que otras herramientas como el aprendizaje profundo. Además, podrían tener ventajas en enseñanza de la química.
Actualmente tienen problemas de coherencia interna, pero no cabe duda que se ha dado un paso de gigantes y que dentro de pocos años estas herramientas serán imprescindibles.
Referencia
Fernando Gomollón-Bel. “IUPAC’s 2023 Top Ten Emerging Technologies in Chemistry” Chemistry International, vol. 45, no. 4, 2023, pp. 14-22. https://doi.org/10.1515/ci-2023-0403.
(Las imágenes del interior del texto también pertenecen a esta publicación).
