Road to the energy efficency based on Nanotechnology

 

How the nanotechnology could revolutionize the future of energy?. The number of scientific papers on this topic is growing so fast that it is almost impossible to keep pace with the many and exciting solutions that nanoengineered materials are bringing to the different energy technologies. Most of the attention is devoted to new production technologies (photovoltaic cells, hydrogen generation, thermoelectric materials, etc). These are all very important technologies, which will probably contribute in different extents to our future energy mix. However, for cleaner energy technologies to be competitive in the era of cheap and abundant shale oil and gas, more disruptive research is required. Nanotechnology holds the opportunity to provide these breakthroughs.

The principal challenges
There are very important challenges that need to be solved to achieve a energy rentable technology. Apart form the masive and efficent energy generation, the efficient energy storage and transportation is a keypoint for the revolution at energetic level. But continuous effords are being doing in terms of saving energy through gains in efficiency (i.e. reduction in energy losses, less resistive materials, more efficient photovoltaic devices, etc.). Moreover, nanotechnology can also greatly contribute to mitigate and adapt to climate change, for example, by using nanostructured materials like porous coordination polymers in the capture of CO₂ or using photocatalists for environment pollulants.

One of the most usual handicap is the scalablility and the production cost. Most of the current research are not sufficiently addressed to design a cost-effective and reliable process.  Many papers make very broad claims about the potential application of new formulations but important factors as fabrication cost, scalability, and reliability are overlooked. The lack of environmental regulations for new materials makes also this process lower than spected. A continous continuous change of mentality and regulations is recommended for the advance of the technology and translate it from the lab to the market. 

Nanotechnology and future
Over the past few decades, the fields of science and engineering have been seeking to develop new and improved types of energy technologies that have the capability of improving life all over the world. In order to make the next leap forward from the current generation of technology, scientists and engineers have been developing energy applications of nanotechnology. Creating devices smaller than 100 nanometers opens many doors for the development of new ways to capture, store, and transfer energy. The inherent le
vel of control that nanofabrication could give scientists and engineers would be critical in providing the capability of solving many of the problems that the world is facing today related to the current generation of energy technologies. People in the fields of science and engineering have already begun developing ways of utilizing nanotechnology for the development of consumer products. Benefits already observed from the design of these products are an increased efficiency of lighting and heating, increased electrical storage capacity, and a decrease in the amount of pollution from the use of energy. Benefits such as these make the investment of capital in the research and development of nanotechnology a top priority.

El Nobel de Química 2014

Betzig (USA), Moerner (USA) y Hell (Alemania)


La Real Academia Sueca de Ciencias ha otorgado el Premio Nobel de Química 2014  a los científicos estadounidenses Eric Betzig (Instituto Médico Howard Hughes en Ashburn), William E. Moerner (Universidad de Stanford) y el alemán Stefan W. Hell (Instituto Max Planck de Química Biofísica), por el desarrollo de un microscopio fluorescente de alta resolución.

Se ha reconocido su destacada labor en la creación de microscopios de alta resolución que utilizan moléculas fluorescentes, una técnica también conocida como "nanoscopia". El avance ha permitido el desarrollo más preciso y extenso de investigaciones sobre Parkinson y Alzheimer. El método permite un estudio de "moléculas individuales dentro de células vivas", algo imposible hasta la creación de este tipo de microscopio. En la década de 1970 dichos investigadores sentaron las bases de los potentes programas que son usados para comprender y predecir procesos químicos, unos modelos informáticos que replican la vida real y que se han convertido en uno de los avances más cruciales para la química actual.

El galardón reconoce 2 principios diferentes: uno que permite que el método microscópico de la reducción estimulada de emisiones (STED), creado por Stefan Hell en el año 2000, donde se utilizan 2 rayos láser, uno que estimula el brillo de las moléculas fluorescentes, y el otro que anula su fluorescencia exceptuando la que se alcanza en los volúmenes nanómetros. Al analizar la muestra, nanómetro por nanómetro, es posible crear una imagen de una resolución notoriamente superior al límite establecido hasta el momento.

Por otro lado, Betzig y Moerner lograron, de forma separada, crear las bases para el segundo método, la microscopía molecular individual. El método parte de la posibilidad de "encender" y "apagar" la fluorescencia de las moléculas individuales. Así, pueden observar la misma área muchas veces, permitiendo que unas pocas moléculas brillen y al superponer lás imagénes se obtiene una "súperimagen" densa a nanoniveles. El método fue utilizado por primera vez por Betzig en 2006.

El Nobel de Química 2013

Karplus, Levitt y Warshel



La Real Academia de Ciencias de Suecia ha otorgado el Nobel de Química 2013 al investigador austríaco Martin Karplus (Universidad de Strasburgo/Harvard), el sudafricano Michael Levitt (Standford) y el israelí Arieh Warshel (Universidad de Southern California) por el desarrollo de modelos multiescala de sistemas químicos complejos.

En la década de 1970 dichos investigadores sentaron las bases de los potentes programas que son usados para comprender y predecir procesos químicos, unos modelos informáticos que replican la vida real y que se han convertido en uno de los avances más cruciales para la química actual.

Martin Karplus nació en 1930 en Viena y es profesor emérito en Estados Unidos, en la Universidad de Harvard. Levitt, nacido en 1947 en Pretoria y con ciudadanía estadounidense y británica, ejerce en la Universidad de Stanford. Warshel nació en 1940 en Sde-Nahum, Israel, y trabaja en la Universidad del Sur de California, Los Angeles.

Estos galardonados siguen en la nómina del prestigioso galardón a los estadounidenses Robert J. Lefkowitz y Brian K. Kobilka, que lo recibieron en 2012 por sus estudios sobre los receptores acoplados a "proteínas G", que permitieron la producción de nuevas medicinas.

Nobel de Química 2012

Robert J. Lefkowitz y Brian K. Kobilka

Los científicos estadounidenses Brian Kobilka y Robert Lefkowitz han sido galardonados con el premio Nobel de Química 2012 por sus investigaciones sobre un tipo de receptores de la membrana de las células que regulan múltiples funciones biológicas.

El  conocimiento detallado de los receptores acoplados a proteínas G, gracias a las investigaciones de Kobilka y Lefkowitz, ayudará a desarrollar nuevos fármacos más eficaces y con menos efectos secundarios. Los receptores de la membrana son estructuras microscópicas que permiten a las células captar señales de su entorno y reaccionar. Vienen a ser como los órganos de los sentidos de las células

Lefkowitz (Nueva York, 1943) es profesor de la Universidad Duke en Durham, en Carolina del Norte. Kobilka (Little Falls, Minnesota,1955), de la Universidad de Stanford en California.

Lefkowitz hizo su primer gran descubrimiento con la adrenalina. Cuando inició sus investigaciones, ya se sabía que eleva la tensión arterial y acelera el pulso. Se sabía también que no entra en el interior de las células sino que actúa desde el exterior. Pero cómo conseguía provocar efectos drásticos en las células desde fuera era un enigma. El investigador marcó moléculas de adrenalina con isótopos radioactivos para poder ver adónde iba la hormona en las células. Lefkowitz consiguió identificar así en los años 70 los receptores de la adrenalina, llamados receptores beta-adrenérgicos. Una vez identificados, pudo estudiar cómo funcionan.

El segundo gran descubrimiento llegó cuando Kobilka se unió al equipo de Lefkowitz en los años 80. Kobilka aceptó el difícil reto que le propuso Lefkowitz de buscar el gen del receptor beta-adrenérgico. Cuando lo encontró, vio que era muy similar a un receptor que capta luz en el ojo. A partir de ahí, se descubrió que hay una familia enorme de receptores similares: los receptores acoplados a proteínas G.

Según Lefkowitz, las proteínas G "son la puerta de entrada a las células para muchas hormonas y neurotransmisores distintos; regulan casi todos los procesos fisiológicos conocidos".

Premio Nobel de Química 2011

Dan Shechtman (24/01/1941 Tel Aviv) es profesor honorario de Ciencia de los Materiales en Instituto de Tecnología de Israel. (Technion – Israel Institute of Technology), profesor asociado del (Department of Energy's Ames Laboratory, USA), y profesor de Ciencia de los Materiales en Iowa (Iowa State University). Se le ha otorgado el premio nobel de Química 2011 por el descubrimiento de los quasicristales, campo de investigación que comenzó durante su periodo sabático en (U.S. National Bureau of Standards en Washington.

     Schechtman se doctoró en Ingeniería de materiales en 1972 (Technion – Israel). Su estancia postdoctoral transcurrión en el Aerospace Research Laboratories en Ohio, estudiando la microestructura de aluminatos de titanio. En 1975 se reincorpora a la  Technion.

     Un quasicrystal es una estructura ordenada pero no periódica, con defectos en la simetría translacional. Mientras que los cristales convencionales disponen de un número acotado de simetría rotacionales (2, 3, 4 o 6), los quasicrystales muestran otros órdenes de simetría como por ejemplo 5. El descrubrimiento de estas forma aperiódicas han llenado de paradigmas el campo de la cristalografía. Normalmente son materiales que presentan bajas conductividades térmicas y eléctricas, pero manteniendo una gran estabilidad estructural. Se han encontrado quasicristales en la naturaleza y tienen posible aplicaciones como la de integrar aceros mucho más duraderos que los actuales y materiales que deben soportan grandes temperaturas.

 

Premio Nobel de Química 2010

 

 

           

                            Heck                                    Negishi                                    Suzuki

El investigador estadounidense Richard F. Heck, y los japoneses Ei-ichi Negishi y Akira Suzuki, han sido premiados con el Nobel de Química 2010 por el desarrollo de reacciones catalizadas, principalmente con Pd, que permiten sintetizar moléculas complejas basándose en acoplamientos carbono-carbono.

   Richard Fred Heck nació en Springfield (Massachusetts) el 15 de agosto de 1931. Es un químico estadounidense reconocido por el descubrimiento y el desarrollo de la reacción que lleva su nombre y que se basa en la utilización de paladio para catalizar reacciones de condensación entre haluros de alquilo y alquenos. Es doctor en filosofía por la Universidad de Los Angeles, California (UCLA). Después de dos periodos de investigación Postdoctoral en el ETH en Zurich (Suiza) se vuelve a UCLA. Posteriormente se traslada a la Universidad de Delaware donde permanece como profesor de Química hasta su retiro en 1989.

   El desarrollo de la reacción de Heck comenzó con la investigación de acoplamientos de compuestos arilmercuriales con olefinas utilizando el paladio como catalizador a finales de los 60. Estos primeros resultados fueron publicados en JACS teniendo a Heck como único autor.¹ Posteriormente, Mizoroki y Heck independientemente reportaron el uso de haluros de arilo menos tóxicos como partes integrantes de la reacción. Toda la carrera de Heck ha estado dedicada a desarrollar esta metodología sintética de nuevas moléculas orgánicas.

    Hoy en día, la reacción de Heck es una de las más utilizadas para la generación de enlaces C-C, paso clave para la síntesis de moléculas orgánicas.

    Actualmente, Heck está retirado como Profesor Emérito en el departamento de Química y Bioquímica de la Universidad de Delaware aunque reside e intenta su retiro en Filipinas….

  

  

                                                                   Reacción de Heck

 

   Ei-ichi Negishi  ,nació el 14 de Julio de 1935 en Changchun (Japón) y desarrolló gran parte de su carrera en la Universidad de Purdue (USA). Se graduó en la Universidad de Tokyo en 1958 y realizó su doctorado en la Universidad de Pennsylvania en 1963. Posteriormente, en 1966 inicia su etapa Postdoctoral en la Universidad de Purdue (Indiana – USA)  donde se queda como profesor ayudante y trabajando con Herbert C. Brown (Premio Nobel de Química en 1979). Entre 1972-79 estuvo como profesor ayudante en la Universidad de Siracusa. Y en 1979 volvió a la Universidad de Purdue donde ha continuado toda su carrera científica.

 

                                    

                                                               Acoplamiento de Negishi

 

   Akira Suzuki, nació en Hokkaido (Japón) el 12 de Septiembre de 1930. En esta ciudad realizó sus estudios universitarios y de doctorado, y trabajó como profesor ayudante. Entre 1963 y 1965 realizó su postdoctorado, al igual que Negishi, con Herbert C. Brown en la Universidad de Purdue. Posteriormente, se convirtió en profesor a tiempo completo en la Universidad de Hokkaido.

 

                                    

                                                                  Acoplamiento de Suzuki

 

    A todos ellos se les ha otorgado el Premio Nobel de Química 2010 por su aportación a la síntesis de nuevas moléculas orgánicas en base a la catálisis de acoplamientos C-C, que es una de las piezas clave en la formación de nuevos esqueletos orgánicos que forman la base de otras moléculas mucho más complejas.

¿Generación de investigadores perdida?

                                  

 

 Era lo que faltaba. Después de luchar hasta la saciedad por los derechos de los investigadores, de pedir por todos los medios que se equiparase la labor investigadora a un contrato laboral por cuenta ajena y de denunciar las calamidades por las que debe pasar un investigador "en España" para poder tener continuidad en su profesión... llegan unos "iluminados" y nos sueltan tan alegremente que se corre el peligro de perder una generación de investigadores debido a la crisis global nos afecta.

    Sin embargo, lo que no sabe esta gente es que España lleva muchos años perdiendo generaciones de investigadores. Lo primero de todo, es que no podemos ni siquiera compararnos a otros países como Estados Unidos, Alemania, Reino Unido o Francia. Y es que cuando se pasa por un periodo de "vacas flacas" lo primero que se hace es ahorrar en lo más prescindible, que en el caso de España, como no, es la investigación.

     De todos lo años que llevo moviéndome por diferentes universidades de España, Europa y EE.UU. saco diferentes conclusiones. Lo primero de todo es que la gente que se forma en Universidades españolas es altamente competitiva a nivel internacional. De hecho, los investigadores españoles son muy apreciados en el extranjero por su alta preparación y autonomía para realizar trabajos de investigación. Pero también me he dado cuenta que la imagen que existe en el extranjero del aprovechamiento de estos recursos humanos en el propio país es deplorable. Me comentaba en cierta ocasión un científico francés, de gran reputación y una gran carrera que lo avala, que el proceso de consolidación de una plaza (llámese profesor universitario o investigador titular) o el conseguir una beca para hacer investigación son demasiado duras y selectivas. Además, considerando el gran potencial humano que se forma en los diferentes campos de investigación, se puede decir que la falta de inversión es uno de los grandes impedimentos para que España se consolide como un país puntero en investigación.

     Por tanto, yo me atrevería a hablar de "generaciones perdidas". Gente que no pudo continuar con su carrera investigadora en su país porque no tenía opciones reales para seguir en condiciones si no era haciendo investigación en el extranjero. Es más, si lo miramos detenidamente, los investigadores formados en España no son productivos para su propio país, sino que lo son para el país extranjero de acogida. Así es normal que lo primero que se recorte en periodos de debilidad económica sean las partidas para investigación y desarrollo.

     El “que inventen ellos” de Unamuno sigue vigente. En España la gran desvinculación de las empresas con la investigación a nivel académico, la regularización del empleo de los investigadores y la financiación tan precaria no hace más que reafirmar los motivos por lo que se encuentra en el grupo de cola en innovación y desarrollo de la Unión Europea. España sólo se salva en términos de educación, con una tasa de población con educación superior por encima de la media comunitaria. ¿Pero de qué sirve todo este potencial si no se usa por el bien de la economía de un país?.

     Pero para que exista un cambio notable es necesario un cambio total de mentalidad. Este periodo de crisis no ha hecho más que sacar a relucir las vergüenzas de nuestro sistema económico basado en la cultura del ladrillo y el turismo. Es ahora cuando se ha visto que las potencias más fuertes son las que siguen manteniendo el gasto en investigación y desarrollo... para que "sigan inventando ellos".

      Los que hemos optado por esta "vocación", tan poco valorada en nuestro país, seguimos teniendo fe en que habrá un día en el que el gobierno confíe en el potencial que tiene en casa para fortalecer su economía y empezar a codearse con las potencias mundiales en términos de investigación y desarrollo. Y después nos quejamos de que en el extranjero se conozca a España como un país de "charanga y pandereta". En nuestra mano está cambiarlo.