De izquierda a Derecha: Avelino Corma, Helmut Schwarz y John F. Hartwig. Fundación BBVA
Premio Fronteras del Conocimiento a los tres científicos que han facilitado una química más sostenible
El trabajo conjunto de los tres galardonados ha logrado avances fundamentales en la catálisis que permiten crear productos en múltiples sectores industriales.
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El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas ha sido concedido en su XVII edición a Avelino Corma (Instituto de Tecnología Química, Universitat Politècnica de València-CSIC), John F. Hartwig (Universidad de California, Berkeley, Estados Unidos) y Helmut Schwarz (Universidad Técnica de Berlín, Alemania) por impulsar avances fundamentales en el campo de la catálisis que han permitido "controlar y acelerar las reacciones químicas" para la obtención de productos en múltiples procesos industriales, según ha resaltado el jurado, "mejorando la eficiencia y reduciendo el consumo de energía".
Trabajando de manera independiente, los galardonados "han liderado a escala mundial las tres principales áreas de investigación para comprender y aplicar la catálisis, cubriendo así todo el espectro de este campo tan fundamental", en palabras de Hongkun Park, titular de la Cátedra Mark Hyman Jr de Química y catedrático de Física en la Universidad de Harvard (Estados Unidos), y miembro del jurado. De esta manera, su trabajo conjunto ha abierto la puerta al desarrollo de una química más eficiente y sostenible.
El jurado de esta categoría ha estado presidido por Theodor W. Hänsch, director emérito de la División de Espectroscopia Láser en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Alemania) y premio Nobel de Física; y ha contado con Aitziber López Cortajarena, profesora de Investigación Ikerbasque, directora científica y líder del Grupo de Nanotecnología Biomolecular en CIC biomaGUNE, Centro de Investigación Cooperativa en Biomateriales (España), como secretaria.
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Los vocales han sido Emmanuel Candès, titular de la Cátedra Barnum-Simons en Matemáticas y Estadística en la Universidad de Stanford (Estados Unidos); María José García Borge, profesora de Investigación en el Instituto de Estructura de la Materia (IEM), CSIC (España); Nigel Hitchin, catedrático emérito Savilian de Geometría en el Instituto Matemático de la Universidad de Oxford (Reino Unido); Hongkun Park, titular de la Cátedra Mark Hyman Jr de Química, y catedrático de Física, en la Universidad de Harvard (Estados Unidos); Martin Quack, catedrático y director del Grupo de Cinética y Espectroscopia Molecular en el ETH Zúrich (Suiza); y Sandip Tiwari, titular emérito de la Cátedra Charles N. Mellowes de Ingeniería en la Universidad Cornell (Estados Unidos) y Distinguished Visiting Professor en el Instituto Indio de Tecnología en Kanpur (India).
Corma ha impulsado la creación de catalizadores sólidos a partir de materiales porosos y es autor de más de 100 patentes, con aplicaciones que se están utilizando en la actualidad para mejorar la eficiencia de procesos químicos y reducir la emisión de sustancias contaminantes en la producción de combustibles, plásticos, cosméticos y alimentos.
Los catalizadores desarrollados por Hartwig, basados en metales y activos en fase líquida, han resultado fundamentales en la fabricación de medicamentos para el tratamiento de numerosas enfermedades, desde la leucemia hasta el VIH o la depresión. En la actualidad se están explorando nuevas aplicaciones para el reciclaje de residuos de plástico.
Schwarz, por su parte, ha logrado analizar reacciones químicas en fase gaseosa átomo a átomo, permitiendo dilucidar su funcionamiento con un nivel de detalle nunca visto, un avance fundamental que ha permitido reducir la generación de residuos en procesos industriales y que abre la puerta al desarrollo de nuevas aplicaciones de la catálisis en múltiples ámbitos.
Materiales porosos que han permitido la producción de combustibles más verdes
Avelino Corma ha sido el pionero de la llamada catálisis heterogénea, denominada así porque el catalizador y los agentes de la reacción química que se quiere acelerar se encuentran en distintas fases de la materia. "El catalizador es un sólido y los reactivos pueden ser gases o líquidos", explica el premiado. En los últimos 35 años, ha liderado la concepción y síntesis de materiales microporosos que actúan como catalizadores sólidos, en los que las reacciones se producen dentro de cavidades del tamaño de las moléculas.
Sus avances fundamentales en este campo se plasmaron en dos estudios publicados por Nature en 1998 y 2006, y posteriormente una investigación publicada en Science en 2017. En todas se demostró el potencial de estos materiales microporosos para acelerar y controlar reacciones químicas de manera eficiente, abriendo así la puerta a una química menos contaminante y más sostenible.
Corma es, además, el autor de más de 100 patentes con aplicaciones industriales que se están utilizando actualmente para mejorar la eficiencia y sostenibilidad en la producción de combustibles, plásticos, cosméticos y alimentos. "Más de 22 plantas en todo el mundo producen hoy gasolina de manera más eficiente, con un mayor aprovechamiento energético, gracias a un catalizador desarrollado a partir de mi investigación", destaca el premiado.
El experto considera que esto es solo el comienzo de una revolución tecnológica que en los próximos años puede convertirse en una potente herramienta trasformadora frente al gran reto del cambio climático: "Los catalizadores nos van a permitir capturar el CO2 de la atmósfera o de la biomasa para seguir avanzando hacia el desarrollo de combustibles y procesos químicos industriales con mucho menor impacto medioambiental".
Catalizadores para fabricar medicamentos contra el cáncer, el VIH y la hepatitis
Los catalizadores basados en metales desarrollados por John Hartwig han resultado fundamentales en la fabricación de medicamentos contra numerosas enfermedades, desde la leucemia hasta el VIH o la depresión. Su trabajo se ha centrado en la catálisis homogénea, en la que tanto el catalizador como las moléculas que experimentan la reacción química se encuentran en fase líquida, disueltos en una solución. Esto permite que las reacciones ocurran a temperaturas relativamente bajas, y que tengan lugar en posiciones muy precisas dentro de la molécula.
En concreto, Hartwig ha centrado gran parte de su investigación en crear los llamados catalizadores organometálicos, formados por moléculas que contienen tanto un fragmento orgánico con carbono como un metal de transición, como el platino. Es precisamente el enlace entre el carbono y el metal el que facilita las reacciones químicas al proveer una plataforma sobre la que estas ocurren.
Además, el galardonado ha modificado ciertas enzimas, que dentro de los organismos biológicos juegan el papel de los catalizadores, cambiando el metal que ocurre naturalmente por otro, de manera que su reactividad se ve modificada. Recientemente el galardonado ha logrado introducir estas "enzimas biónicas" dentro de un microorganismo que se encarga también de fabricar los compuestos que deben reaccionar con la enzima. Es decir, la reacción química ocurre dentro de las células, logrando crear productos artificiales a través de procesos biosintéticos.
Los catalizadores desarrollados por Hartwig han posibilitado la fabricación de un compuesto clave en un medicamento contra el cáncer, y dos compuestos que se emplean para tratar el VIH. "Es muy emocionante ver todo el proceso, desde un descubrimiento tan fundamental como el de dividir un enlace carbono-hidrógeno hasta lograr reacciones a gran escala, con miles de kilos de moléculas", apunta el investigador.
Otro de sus logros más señalados es la formación del enlace carbono-nitrógeno, "una reacción que no puede ocurrir si no hay un catalizador presente", según expone el galardonado. El catalizador que desarrolló junto con su equipo para crear este enlace ha dado lugar a medicamentos contra la depresión, el VIH y la hepatitis C.
"El tubo de ensayo más pequeño del mundo" para ver reacciones químicas átomo a átomo
"La mía es una contribución atípica, porque he abordado preguntas muy fundamentales empleando técnicas nada convencionales", afirma Helmut Schwarz. La combinación de experimentos y herramientas computacionales le ha permitido dilucidar el funcionamiento de algunas reacciones químicas átomo a átomo, con un nivel de detalle nunca visto.
Por ejemplo, es bien sabido que el metano tiene una reactividad muy baja, pero el porqué se resiste a la comprensión de la comunidad química. "Cada año se liberan millones de toneladas de metano a la atmósfera, y es un gas de efecto invernadero. Entonces surge la pregunta, ¿no se le puede dar un uso mejor?" La clave para responderla está en ser capaz de dividir el enlace carbono-hidrógeno del metano de manera selectiva, un problema fundamental para la química que Schwarz se propuso abordar explorando el papel que podría jugar la catálisis.
"La investigación convencional sobre catálisis se suele hacer en la fase condensada. Pero nosotros decidimos hacer un experimento en la fase gaseosa, para evitar que hubiera otros efectos que no controláramos y que pudieran influir en el resultado", explica el galardonado. Aislaron los átomos a nivel individual y controlaron el entorno de la reacción para asegurarse de que el resultado se debía exclusivamente a un átomo concreto en lugar de a una combinación de múltiples factores. "Durante décadas, a mucha gente le parecía que conseguir aquello era imposible", recuerda el investigador.
Ese aislamiento fue gracias al espectrómetro de masas, inventado hace más de un siglo, pero nunca antes empleado para este fin. "Nos da una visión microscópica de los detalles que es inalcanzable cuando miras al comportamiento de millones de átomos. Es el tubo de ensayo más pequeño del mundo", compara el galardonado.
El galardonado espera que las nuevas generaciones "no se rindan antes de tiempo, y que tengan la habilidad de identificar los grandes retos de la ciencia y el valor de abordarlos. Sobre todo, que intenten contagiar a sus compañeros el sumarse a ese proyecto y que exploren qué se puede conseguir gracias al entusiasmo por la investigación básica".
