Los materiales diseñados por Omar Yaghi tienen sorprendentes cualidades, como capturar la contaminación por CO2, y no dañan el medioambiente.

23 enero, 2018 12:55 EL ESPAÑOL

El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas ha sido concedido en su décima edición al químico jordano-estadounidense Omar Yaghi "por su trabajo pionero en la concepción y síntesis de los nuevos materiales cristalinos MOF y COF". Su trabajo ha tenido "gran impacto en la ciencia y en la ingeniería", y acarrea aplicaciones potenciales de tanto interés como "la captura y almacenamiento de dióxido de carbono (CO2), y la de las moléculas de agua presentes en el aire para generar agua potable".

Yaghi, catedrático de Química en la Universidad de California en Berkeley, EEUU, ha creado estos nuevos materiales aplicando una química basada en el "ensamblaje de ladrillos" –explica el acta del jurado– o piezas cuya estructura es cuidadosamente controlada de antemano. Esta estrategia ha conducido a "un crecimiento exponencial en la creación de nuevos materiales con una diversidad sin precedentes en la química".

A este nuevo campo, el propio Yaghi lo ha bautizado como Química Reticular, y lo describe como "unir bloques moleculares mediante enlaces (bonds) muy resistentes para formar extensas estructuras". El acta resalta que "numerosos laboratorios en la academia y en la industria practican ahora esta estrategia".

En términos no técnicos, los MOFs (metal organic frameworks) y los COF (covalent organic frameworks) son como esponjas cristalinas a escala molecular: materiales muy porosos en los que los huecos se disponen formando una red ordenada y tienen un tamaño controlable a medida. Reúnen muchas de las propiedades más deseadas por los químicos, entre ellas una gran capacidad de absorber otros compuestos, que se alojan dentro de sus poros.

También una alta versatilidad y selectividad, puesto que el tamaño del poro se adapta al compuesto que se desea atrapar. Es decir, funcionan como tamices moleculares construidos a medida. Según explica Yaghi, si un solo gramo de un material MOF se desplegara en una única lámina a escala atómica, sin poros, llegaría a cubrir 60 campos de tenis.

Los COF están compuestos por materiales orgánicos, mientras que los MOF combinan materiales inorgánicos, en concreto óxidos de metal, y orgánicos. En este caso los óxidos de metal son los enganches –donde se adhiere químicamente la molécula que debe cazar el tamiz–, y los compuestos orgánicos son los ligandos que los mantienen unidos formando la gran estructura porosa. El óxido de metal cambia en función de la molécula que se quiera capturar, mientras el tamaño del poro depende del compuesto orgánico.

Es esta capacidad de controlar el producto final lo que cautiva a Yaghi, que creó estos compuestos a mediados de los años noventa. "Cuando yo era estudiante" –explicó ayer por teléfono al conocer el fallo– "la creación de nuevos materiales se basaba simplemente en mezclar cosas, y lo que obtenías era básicamente lo que te proporcionaba la propia naturaleza. No tenías control sobre lo que obtenías".

"Pero me di cuenta de que no llegaría muy lejos juntando piezas, como quien construye un automóvil. Para mí, lograr la construcción de materiales de manera simple y racional, como lo hacemos ahora, era un sueño. Tener el control sobre el material que estás produciendo, e incluso poder modificarlo una vez que lo has construido, es una herramienta muy poderosa".

Crear agua para beber con luz solar

El sueño de Yaghi ha dado lugar a una nueva química actualmente en pleno desarrollo, con cientos de laboratorios en todo el mundo trabajando en aplicaciones con estos materiales porosos. El científico galardonado contabiliza ya "más de 60.000" clases diferentes de MOFs desarrolladas.

Entre las múltiples aplicaciones potenciales destacan tres. Una es la captura de dióxido de carbono: "Su captura es muy importante, y creo que los MOFs son los mejores materiales para lograrlo", afirma Yaghi. "La dificultad aquí estriba en separar el CO2 de otros gases, incluyendo el agua. Los MOFs son capaces de extraer específicamente el CO2 y separarlo para que no llegue a la atmósfera".

Los procesos de captura de dióxido de carbono que se usan actualmente emplean compuestos tóxicos, y, según explica el propio Yaghi, pueden consumir entre el 30-40% de la energía que produce la central, ya que requieren calentar agua a altas temperaturas. Los MOFs, que se sintetizan de forma sencilla y ambientalmente limpia, aún no están listos para su uso industrial en este ámbito, pero Yaghi opina que su implementación a gran escala es factible. "Todos los experimentos que hemos realizado en nuestro laboratorio han demostrado que el uso de MOFs para la captura de CO2 es viable, aunque no me atrevo a predecir el tiempo que tardaremos todavía en poder aplicarlo en la industria", asegura.

Mucho más inminente, en su opinión, es el uso de los tamices moleculares para absorber moléculas de agua del aire, incluso en ambientes secos –con menos de un 20% de humedad- y producir agua líquida con el aporte únicamente de luz solar. "En la atmósfera hay muchísima agua, y la posibilidad de capturarla supondría una enorme transformación para grandes zonas del planeta", afirma Yaghi.

"La dificultad es atraparla en zonas desérticas, pero hemos diseñado MOFs capaces de recolectar agua en los poros, y posteriormente, tras calentarla con la luz solar, generar agua líquida. No tengo ninguna duda de que en los próximos 3 a 5 años existirá un aparato capaz de obtener agua pura de la atmósfera". Yaghi acaba de publicar en la revista Science un trabajo sobre esta aplicación.

Otra aplicación potencial es el almacenamiento de hidrógeno en recipientes mucho menos voluminosos que ahora. Al alojar las moléculas de hidrógeno en los poros del material se mete más gas en menos volumen: por paradójico que parezca, cabe mucho más hidrógeno en un tanque lleno de MOFs que en uno vacío. Según Yaghi, la técnica está aún en fase preliminar de investigación, pero es de interés para desarrollar un futuro combustible limpio para vehículos basado en el hidrógeno.

Hoy en día Yaghi está convencido de que "el diseño de nuevos materiales es de lo más importante que podemos hacer para resolver nuestros problemas, por ejemplo el desarrollo de fuentes limpias de energía". Sin embargo, cuando empezó su carrera Yaghi no pensaba en las aplicaciones, "sino en la pura belleza del desafío de construir estructuras, estructuras que pudiera controlar".

Una historia de superación

Omar M. Yaghi (Amán, Jordania, 1965) fue enviado por su familia a Estados Unidos a estudiar con solo 15 años. Su amor por la química surgió de contemplar dibujos de las estructuras de las moléculas: "Veía esos dibujos en mi colegio y me encantaban, aunque no sabía lo que eran. Más adelante lo descubrí y me fascinó saber que eran componentes de las cosas que no podemos ver con nuestros ojos".

Una de sus principales aspiraciones en la actualidad, más allá del desarrollo de su investigación, es la de contagiar a otros jóvenes la misma pasión que le sedujo a él: "Ante todo soy un profesor y un mentor, y me gustaría ver a más jóvenes trabajando en el mundo de la ciencia para intentar resolver los problemas del planeta. Y no sólo en los países desarrollados, sino también en los que están todavía en vías de desarrollo. Por eso estoy trabajando mucho para impulsar la creación de centros de investigación en estos países, para ayudar a los jóvenes a dedicarse a la ciencia".

Tras doctorarse en Química Inorgánica en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, su trayectoria investigadora y docente le llevó a la Universidad Estatal de Arizona como assistant professor; a la Universidad de Michigan en Ann Arbor, donde fue titular de la Cátedra Robert W. Parry de Química; y a la Universidad de California Los Ángeles, donde desempeñó la Cátedra Christopher S. Foote de Química y la Cátedra Irving y Jean Stone en Ciencias Físicas. Desde 2012 es titular de la Cátedra James y Neeltje Tretter de Química en la Universidad de California, Berkeley. Allí codirige el Instituto Kavli de Nanociencias de la Energía, y la Alianza para la Investigación en California de BASF y Berkeley.

También dirige el Centro de Materiales Reticulares en el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón y el Grupo de Investigación sobre Captura y Conversión del Carbono en la Universidad Rey Fahd del Petróleo y los Minerales, en Arabia Saudí. Entre 2011 y 2016 fue codirector ejecutivo del Centro para la Investigación Molecular y en Nanoarquitectura de la Universidad Nacional de Vietnam. Es titular de 44 patentes y de 25 solicitudes de patente publicadas en Estados Unidos.

El aparato obtiene de la humedad del aire H2O pura, de una composición muy próxima a la destilada

Lunes, 17/07/2017 | Actualizado el 18/07/2017 a las 17:13 El periódico

Una 'startup' estadounidense ha creado Source, un panel solar que es capaz de generar hasta cinco litros al día de agua apta para consumo humano extrayéndola de la humedad del aire, en colaboración con investigadores de la Universidad de Arizona (Estados Unidos).

Mediante su funcionamiento, el panel solar obtiene agua pura, de una composición muy próxima al agua destilada. El líquido después es almacenado en un depósito interno de 30 litros y, posteriormente, se le añade calcio y magnesio, para facilitar su conservación y su consumo posterior.

El aparato está formado por un panel solar de 1,2 por 2,4 metros situado sobre una base de metal. La placa recoge energía solar que después es utilizada para extraer agua líquida del vapor de la atmósfera. La producción diaria se encuentra entre dos y cinco litros, en función de las condiciones climáticas, del sol y de la humedad.

BATERÍA PARA DÍAS NUBLADOS

En los casos en los que no luce el sol y el panel no recoge energía solar, el aparato dispone también de una batería de ión de litio que permite que el panel siga recogiendo agua. En cualquiera de los casos, la placa solar funciona de manera independiente.

Source tiene como objetivo asegurar a sus usuarios cuál es la procedencia del agua que se consume, evitando las canalizaciones antiguas y la generación de residuos plásticos del agua embotellada. A pesar de que se recoge de la atmósfera, el agua resultante está libre de los gases contaminantes presentes en el aire, según la compañía.

Los paneles Source pueden adquirirse desde la página web de Zero Mass Water, la 'startup' que los ha creado, a un precio de 2.900 dólares (algo más de 2.500 euros) el primer panel y 2.800 cada panel adicional (cerca de 2.450 euros). El precio de la instalación es de unos 500 dólares (casi 440 euros) , e incluyendo el envío, el coste mínimo de todo el paquete asciende a 3.690 dólares (unos 3.240).

Theresa Dankovich, PhD, inventó filtros de papel recubiertos de nanopartículas que matan gérmenes como el centro de su trabajo doctoral en Química en la Universidad McGill en Montreal, Canadá, entre 2008 y 2012.Su invención utiliza reactivos no tóxicos y materiales renovables. Ella mostró a escala de laboratorio que los filtros de papel nano-plata eran altamente efectivos para eliminar las bacterias.

Del laboratorio al mundo

Para su investigación postdoctoral en la Universidad de Virginia en 2013, ella probó con éxito los filtros de campo en Limpopo, Sudáfrica. Desde 2014, la Dra. Dankovich y sus socios han probado sus filtros de campo en Ghana, Honduras, Bangladesh, Kenia, China y Haití, mostrando repetidamente que pueden purificar muchos tipos de agua contaminada, incluyendo agua de pozo, arroyos, ríos, estanques, manantiales, e incluso aguas grises.

El siguiente desafío fue crear titulares de filtros culturalmente apropiados para los mercados internacionales que garantizarían el uso correcto y consistente de los filtros. Trabajando con una variedad de socios internacionales, el Dr. Dankovich y el Dr. Jonathan Levine (cofundador y CEO de Folia Water) probaron varios diseños de portafiltros y recogieron comentarios de clientes potenciales en Bangladesh, Honduras y Sudáfrica.

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De la tecnología al producto

En 2016, Folia Water probó una variedad de diseños de productos, realizó extensas pruebas a los clientes y amplió su producción industrial. Folia ahora puede fabricar sus Folia Filters ™ a escala industrial. El Keystone Funnel ™ se desarrolló como un portafiltro que se adapta a casi cualquier recipiente doméstico de agua: tazas, cubos, botellas de soda de dos litros, botellas grandes o jarras, bidones o kolshis. 

Folia Water es un fabricante mayorista de tecnología de filtros de papel: nuestro modelo comercial es vender grandes volúmenes de nuestros Filtros Folia a distribuidores internacionales de productos de consumo  que tienen la experiencia y el conocimiento para manejar la distribución local. 

Cómo usar un Folia Filter 

La plata en Folia Filters mata bacterias y virus, mientras que los poros del papel eliminan físicamente los protozoos más grandes y otros parásitos grandes. 

El Keystone Funnel permite el uso de manos libres con casi cualquier recipiente doméstico de agua: tazas, vasos, botellas de refresco de 2 litros, jarras de 20 litros, cubos ...

El filtro Folia se pliega en un cono y se coloca dentro del embudo Keystone. A continuación, se coloca una botella de refresco de 2 litros en el embudo Keystone y el cliente puede retirarse una vez que el recipiente inferior se haya estabilizado con una pequeña cantidad de agua.  

El agua drena a través del papel en aproximadamente 10 a 15 minutos solo por la gravedad. El agua en la botella superior hace que el agua fluya continuamente, sin la necesidad de seguir agregando agua.  

Paso 1: dobla el filtro de Folia en un cono

• Dobla el círculo de papel por la mitad y forma un pliegue. Doble por la mitad otra vez y doble para producir un cuarto de círculo.

• Abra el papel para formar un cono.

• CONSEJO: El filtro no funciona si está cortado, pegado o pegado porque es difícil formar un sello hermético. Para matar los gérmenes, el agua debe pasar por el papel. No funcionará si, por ejemplo, hay pequeños orificios al cortar o pegar el papel.

Paso 2: coloque el cono doblado en el embudo Keystone

• Coloque el cono en un embudo.

• El embudo Keystone Funnel de Folia se ha diseñado para ajustarse exactamente al cono, de modo que el agua no pase por encima del papel.

• Coloque la tapa en el embudo Keystone.

• Gire para bloquear en su lugar. Se puede sentir y escuchar un chasquido para asegurar que la tapa esté completamente bloqueada en su lugar. 

Paso 3:  Atornille el embudo Keystone  en una botella de refresco vacía

• El embudo Keystone conecta dos botellas: una botella limpia y vacía y una botella que contiene agua sucia.

• Primero coloque el fondo angosto del embudo sobre la botella vacía. El embudo puede sentarse en una base / tapa si es necesario dependiendo del contenedor.  

• La tapa más ancha debe estar hacia arriba.

Paso 4: voltea el embudo de Keystone  y conéctalo a la botella de agua sucia

• Da la vuelta a la botella vacía y al embudo Keystone.

• Atornille la tapa del embudo Keystone en la botella de agua sucia

Paso 5: Haz "The  Flip"

• Con un solo movimiento, voltea rápidamente las dos botellas

• Sostenga la botella inferior durante los primeros 30 segundos o minutos hasta que se filtre suficiente agua para mantenerla estable

• El agua en la parte inferior proporcionará estabilidad permitiendo al usuario alejarse. 

• 2 litros de agua se filtran en aproximadamente 10-15 minutos 

La  turbina Waterlily Micro es una forma innovadora de cargar dispositivos eléctricos fuera de la red,  sin luz solar. Si bien la energía solar es una forma eficiente de energía, este dispositivo te permite seguir navegando, chateando o filmando durante la noche en cualquier época del año. 

El Waterlily es un dispositivo de doble función que usa energía del viento o del agua para recargar su teléfono inteligente o GoPro  , para que no tenga que detener lo que está haciendo en el campo. Es perfecto para campistas, excursionistas, remeros, ciclistas y cualquier persona que viva fuera de la red. Este dispositivo de mano está diseñado para colocarse en agua en movimiento o expuesto a ráfagas de viento, ayudado por su durabilidad estructural. 

El producto fue desarrollado por la startup canadiense  Seaformatics , que está compuesta por cuatro ingenieros cuyo objetivo colectivo es ahorrar energía cosechando energía oceánica. Desarrollaron la turbina Waterlily Micro de su modelo Sealily más grande como una opción personal para los amantes del aire libre y conscientes de la naturaleza. La tecnología se cultivó como parte de un proyecto de investigación de la Universidad Memorial.

La turbina mide siete pulgadas de diámetro y tres pulgadas de ancho, se ajusta fácilmente a, o sobre, cualquier mochila, con la capacidad única de ser montada en una bicicleta, canoa o kayak. El Waterlily se conecta a cualquier dispositivo compatible con USB a través de un cable estándar de 12 pies.

La turbina requiere una velocidad de agua mínima de 0.7 millas por hora para funcionar mientras que aprovecha eficazmente la energía hasta 6.8 mph, haciendo un uso igual en corrientes de goteo o ríos que corren. Requiere una velocidad mínima del viento de 6.7 mph y puede continuar funcionando en ráfagas de hasta 55 mph. La velocidad máxima del agua es de 4.5 mph y la velocidad máxima del viento se identifica como 45 mph, cualquiera de los cuales proporciona una carga completa del dispositivo en solo un par de horas.

No hay un tiempo de inmersión limitado en el agua y el producto es resistente a la corrosión del océano.

Además, la máquina cuenta con una función de manivela manual para servir de carga de emergencia cuando el viento y el agua son escasos, para que nunca se quede sin opciones.

La turbina Waterlily Micro pesa poco menos de dos libras y se puede pre pedir por $ 99 en el sitio web de la compañía.