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Sensores de vapores orgánicos

 

Sensores de vapores orgánicos

¿Sabía que hay sustancias que cambian de color al estar cerca de otras sustancias, mágicamente, sin llegar a estar en contacto visible con ellas? ¿Y que estas sustancias se pueden utilizar como sensores para detectar la presencia sutil de moléculas que pueden ser peligrosas?

Hace más de medio siglo un joven Isaac Asimov estaba a punto de leer su tesis doctoral en química –con el paso de los años se convertiría, además de escritor de ciencia ficción, en el divulgador científico más importante de todos los tiempos-. Quizá porque le aburría escribir cosas tan serias o por puro divertimento, publicó a tres meses de defender su tesis un artículo de ciencia ficción titulado “Las maravillosas propiedades de la tiotimolina”. Mimetizando el estilo de los artículos científicos, Asimov presentaba un descubrimiento sensacional: la tiotimolina era tan soluble en agua que uno o dos segundos antes de que el científico le echase agua, se disolvía. Por tanto servía para medir el grado de decisión del ser humano. A veces la realidad se acerca a la ficción porque... ¿Qué pensarían si les dijeran que en el ICMA se ha descubierto un compuesto sólido que basta con acercarle una sustancia, por ejemplo la acetona, para que cambie de color y que no hace falta echar sobre él el líquido? Parece como si “supiera” que el investigador fuera a verter sobre el misterioso compuesto algo...

Evidentemente esto no es así. El compuesto no “sabe”. ¿Qué es lo que sucede? Para entenderlo debemos darnos cuenta de algo de lo que habitualmente no somos conscientes. Cuando tenemos un vaso con agua o cualquier otro liquido, también hay vapor. Las moléculas de la superficie del liquido están cambiando continuamente: unas veces se encuentran en el líquido pero en otras ocasiones una molécula de aire choca con ellas, las arranca de la superficie y pasan a formar parte del aire circundante. Dicho de otro modo: la moléculas de liquido que están en la superficie se encuentran entrando y saliendo continuamente de ella. Se dice que tenemos un equilibrio entre el líquido y el vapor, que forma una nube invisible encima del vaso.

Teniendo esto en cuenta es fácil de entender lo que sucede: nuestro misterioso compuesto es sensible a esos vapores que flotan encima de nuestro vaso. A este tipo de material que cambia de color cuando se expone a los vapores de una sustancia se les denomina con el nombre genérico de compuestos vapocrómicos. Se conocen muchos, pero muy, muy pocos cambian de color tan rápido como éste. Si es que hay alguno.

En el ICMA se ha encontrado que este compuesto es sensible a los vapores de la acetona, el metanol o el etanol, entre otros. También detecta compuestos derivados del benceno, lo que lo convierte en una sustancia muy interesante para el medio ambiente. Pero no es selectivo, no distingue entre los diferentes compuestos que provocan el cambio de color.

La importancia de este descubrimiento reside en la velocidad del cambio de color. Basta con que esté en contacto con una pequeña cantidad de vapores de un disolvente orgánico para que se verifique. Y, además, este cambio es reversible: al desaparecer el vapor vuelve a su color original y el compuesto está preparado para volver a ser utilizado. Esto no sucede habitualmente. Los cambios de color se utilizan mucho en sistemas de detección, pero la inmensa mayoría no son reversibles: una vez que se toma la medida, se tira.

Todas estas propiedades han cristalizado en el diseño de un sensor basado en láser y fibra óptica. Una pequeña muestra de esta sustancia adherida a una fibra de vidrio y el cambio de color es detectado automáticamente.

                          

Explicar por qué sucede ese cambio de color ha sido uno de los misterios a resolver. Las primeras explicaciones que aventuramos resultaron no ser ciertas pues al preparar otros productos similares éstos no funcionaron.

Una de ellas, por ejemplo, era que hubiese "canales" por los que entrasen las moléculas, y lo hicieran muy rápido, de ahí la velocidad del cambio de color.  Pero no era así.  Hoy sabemos que todo pasa en la superficie, que es lo que hace que el proceso sea reversible.  En esencia, lo que parece suceder es que la molécula del disolvene que se va a detectar se fija sobre la superficie y , debido a las peculiares características de la nube electrónica de la molécula de vapocromo, al interaccionar se modifica lo suficiente la densidad electrónica para que el cambio de color se produzca.


Las sustancias vapocrómicas en los llamados compuestos de coordinación –que son unos con los que trabajamos en el ICMA- son recientes. De hecho, la primera noticia de este tipo de materiales aparece en 1999.

El descubrimiento de este material es un buen ejemplo de lo que es la investigación científica. Diseñamos una reacción de investigación basica, sin buscar ninguna aplicación en especial, solo tratando de aumentar nuestro conocimiento sobre la química de oro. Aparentemente no hubo cambio: se partía de una disolución amarillo-naranja y se obtuvo una disolución del mismo color. Siguiendo con la metodología habitual nos dedicamos a evaporar, identificar… Como algo totalmente casual descubrimos que al aislar el producto era naranja, pero al succionar, al retirar los vapores, se volvió negro. Y entonces sucedió: al limpiar la espátula con acetona y dejarla en la mesa…se tornó al naranja: se tenía algo espectacular en la mano. Desde entonces se han ido estudiando sus propiedades, aventurando explicaciones, desarrollando diversos productos basados en el primero.

                           

         

Hoy pensamos que nuestro compuesto vapocrómico es una variedad polimórfica de otro y que se transforman fácilmente entre sí. ¿Variedad poliqué..? Que es el mismo producto que cristaliza de dos formas diferentes. De esta forma, mientras uno hace el cambio de color, el otro que no. Conocemos la estructura de la variedad polimórfica que no presenta esa sorprendente propiedad, luego sabemos cuál es el compuesto, y cuál es su variedad cristalina, es decir, cómo se empaquetan sus átomos en una estructura. Del polimorfo que mas nos interesa no la sabemos y quizá no la sepamos nunca pero seguimos investigando en compuestos similares y quiza algun dia seamos capaces de diseñarlos y prepararlos a voluntad. Y seguimos buscando nuevas aplicaciones a este y a compuestos similares. Hoy tenemos productos que son capaces de detectar estos vapores incluso en disolución acuosa. De aquí al desarrollo de narices artificiales…..no solo hay un paso…hay varios…¡pero seguimos caminando!   digo ¡investigando!   ¿Quieres participar?.

 

Todas estas propiedades han cristalizado en el diseño de un sensor basado en láser y fibra óptica. Una pequeña muestra de esta sustancia adherida a una fibra de vidrio se encuentra en el interior de una cámara.  Inicialmente la muestra es negra.  Si en la cámara hay vapores de acetona, esta muestra se adquiere un color naranja.  Estos cambios de color modifican las propiedades de transmisión y reflexión de la luz de este material y ello ocasiona que la luz que llega al detector sea diferente cuando la muestra es de color negro y cuando es de color naranja.  De esta manera tenemos un sistema que nos permite detectar la presencia de vapores de acetona.  Algo similar se podría realizar para detectar otros tipos de vapores que pueden ser peligrosos.

 

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