Un experimento que se llevó a cabo recientemente en Sirius, la fuente de luz sincrotrón brasileña del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM), con sede en Campinas, en el interior del estado de São Paulo (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 269), logró demostrar de qué manera un determinado catalizador biológico descompone con mayor eficiencia la molécula de agua (H2O) mediante un proceso de electrólisis. Esta reacción, un proceso electroquímico que utiliza la electricidad para descomponer el agua en sus elementos constituyentes, es de gran interés pues como resultado, además de oxígeno, se obtiene hidrógeno, al que muchos expertos señalan como el combustible del futuro, ya que su utilización no implica emisiones de gases contaminantes (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 314).
“Hemos descubierto que algunas enzimas presentes en la naturaleza, entre ellas la bilirrubina oxidasa [BOD], cuando se manipulan en laboratorio, pueden acelerar la reacción de descomposición del agua”, dice el químico Frank Nelson Crespilho, docente del Instituto de Química de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IQSC-USP) y coordinador de la investigación. “No sabíamos por qué ocurría esto. Gracias a un nuevo dispositivo desarrollado especialmente para el Sirius, pudimos observar cómo se comporta esta enzima, la BOD, cuando está presente en el proceso de oxidación del agua. Pudimos comprobar que los átomos de cobre en su interior son relevantes en esta reacción”.
Crespilho espera que este avance constituya el punto de partida para que la ciencia se inspire en el segmento de la enzima que promovió la aceleración de la reacción. “Es interesante conocer las regiones importantes de la BOD pues ahora los químicos sintéticos que trabajan en la producción de materiales pueden copiar esa parte y sintetizarla en laboratorio. Esto hará que el costo del catalizador sea mucho menor y con mayores posibilidades de aplicación”, dice el investigador. En general, los catalizadores utilizados en este proceso se fabrican con metales nobles, como el platino y el iridio, que son más caros, lo que acaba haciendo inviable su aplicación a gran escala. Un artículo detallando el experimento, redactado por el equipo de Crespilho, que incluye a los investigadores Graziela Sedenho, Rafael Colombo, Thiago Bertaglia y Jessica Pacheco, salió publicado en octubre en la revista Advanced Energy Materials. El trabajo contó con la participación de científicos del Laboratorio Nacional de Luz de Sincrotrón (LNLS).
Investigadores de todo el mundo buscan nuevos catalizadores para la reacción de oxidación del agua
La bilirrubina oxidasa se extrajo del hongo Myrothecium verrucaria, que suele hallarse presente en el suelo y en las plantas. Cuando se la manipula en el laboratorio, participa en la reacción de descomposición del agua, algo que no ocurre espontáneamente en la naturaleza. Dentro del reactor, la enzima trabaja más concretamente en la formación de oxígeno molecular, que es una de las dos reacciones necesarias para la rotura de la molécula de H2O. La otra es la generación de hidrógeno. Ambas se producen en forma concomitante. “Para la producción de hidrógeno, que tiene lugar en un lado del reactor, todo el proceso ya se conoce mejor. Existen catalizadores más baratos y eficaces. Sin embargo, la otra reacción, que es la de oxidación del agua, es muy lenta, por lo que investigadores de todo el mundo se han abocado a la búsqueda de buenos catalizadores para ello”, explica Crespilho.
La observación con un nivel de detalle muy elevado del comportamiento de la enzima durante la reacción bioelectroquímica solamente fue posible gracias a la infraestructura de Sirius. En el ensayo se utilizó el haz de luz de la estación experimental Tarumã, de la línea de luz Carnaúba, que todavía se encuentra en fase de puesta en marcha científica, es decir, de pruebas, desarrollo técnico, rutinas y estrategias experimentales.
“En esta fase se abordan diversos tipos de experimentos y temas científicos con el propósito de demostrar el potencial de la línea de luz”, dice el físico e investigador Helio Cesar Nogueira Tolentino, jefe de la División de Materia Heterogénea y Jerárquica del LNLS. De las 14 líneas iniciales previstas para Sirius, siete ya están funcionamiento. Cada una de ellas opera en un rango de energía diferente y utiliza una técnica principal. Las siete están abiertas para el trabajo de científicos de Brasil y del exterior.
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESPMonocromador: un dispositivo que forma parte de la línea de luz Carnaúba del Sirius, donde se llevó a cabo el estudioLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
En actividad desde la segunda mitad de 2021, la línea de luz Carnaúba es la más extensa de Sirius. Fue diseñada para realizar espectroscopía de absorción de rayos X y permitir la realización de experimentos con diferentes materiales a escala nanométrica. Además de la potente línea de luz que produce un haz superconcentrado, el grupo de Crespilho pudo utilizar un dispositivo desarrollado recientemente por el equipo del LNLS centrado en el área bioquímica.
“Se trata de una celda electroquímica para experimentos in situ. Se la coloca delante del haz de rayos X, que incide sobre el material por estudiarse en el momento en que se produce una reacción química. Con esta célula también podemos aplicar un potencial eléctrico y medir la corriente o aplicar corriente y medir el potencial, es decir, podemos ver cómo responde el material a estos estímulos externos. Y todo ello mientras se produce la reacción química”, explica el físico Itamar Tomio Neckel, investigador del grupo Carnaúba del LNLS y principal desarrollador de la nueva célula electroquímica, un pequeño dispositivo que cabe en la palma de la mano.
El mayor reto, según el investigador, es miniaturizarlo todo, porque las reacciones deben producirse en un espacio físico muy limitado. Al mismo tiempo, es necesario simular las condiciones existentes en los laboratorios de los distintos usuarios. El haz de luz de la línea Carnaúba tiene una dimensión 100 veces menor que un cabello, según los investigadores, y se convierte en una nanosonda de rayos X.
