Volumen 18 - Nº 105 Junio - Julio 2008

En la catálisis heterogénea, una superficie sólida actúa como catalizador, mientras que las sustancias que reaccionan químicamente están en fase líquida o gaseosa. Este tipo de catálisis tiene una enorme importancia tecnológica.

¿Qué tienen en común la oxidación de una chapa de hierro, la formación de hidrógeno (H₂) en el espacio interestelar, la producción artificial de fertilizantes y el catalizador que filtra los gases de escape de los automóviles modernos? La respuesta es: una reacción química sobre una superficie sólida, lo que se conoce como catálisis heterogénea. Este tipo de catálisis tiene una enorme importancia en nuestra vida cotidiana, ya que el 90% de los procesos de fabricación de productos químicos en el mundo emplean la catálisis heterogénea en una forma u otra. Así, por ejemplo, se la utiliza ampliamente en la industria química para reducir la contaminación ambiental, o en la fabricación de amoníaco, que es un fertilizante imprescindible en la agricultura y, por lo tanto, en las industrias asociadas a ella como es la industria de alimentos.

Esta clase de problemas son el objeto de estudio de una disciplina que está a mitad de camino entre la física y la química, llamada comúnmente ciencia de superficies (Surface Science, en inglés). La ciencia de superficies se inició en la década de 1960 como una rama de la física del estado sólido orientada a resolver las necesidades de la emergente industria de semiconductores, y se consolidó en la década de 1970 como una ciencia independiente. La madurez alcanzada por esta disciplina fue reconocida por la Fundación Nobel al otorgar en 2007 el premio Nobel de química a Gerhard Ertl, un físico que dirige el Instituto Fritz-Haber de Berlín, perteneciente a la Sociedad Max Planck. Este galardón es un mensaje claro y alentador para todas aquellas instituciones que continúan invirtiendo en investigación básica, piedra angular de todo desarrollo tecnológico.

Para estudiar estos procesos de manera controlada, es indispensable hacerlo en alto vacío. Esto es así porque resulta necesario evitar la contaminación con partículas presentes en el aire. Es fácil calcular que para que la superficie se mantenga muy limpia durante, digamos, una hora (que es un tiempo razonable para realizar una medida experimental), debe encontrarse en un vacío del orden de 10^-10 mbar (1000mbar corresponden a la presión atmosférica). Técnicamente esto se conoce como ultra alto vacío, o UHV (del inglés ultra high vacuum), y representa el vacío más alto alcanzable actualmente en laboratorios. De hecho, la necesidad de un vacío tan alto fue el principal obstáculo que impidió el desarrollo de la ciencia de superficies antes de 1970. A partir de entonces se hizo posible obtenerlo gracias a la aparición de nuevos sistemas de bombeo y a la producción de aceros de muy alta pureza. La generación de ‘ultra alto vacío’ es ahora un procedimiento de rutina, lo que ha estimulado el desarrollo de técnicas experimentales específicas. Por un lado se han extendido los métodos de la física del estado sólido a los estudios de superficies, a la vez que se desarrollaron nuevos instrumentos como el microscopio de efecto túnel, que permite ‘ver’ átomos y que sin duda representó una revolución en la ciencia de superficies.

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