El Grupo de Física de Nanoestructuras realiza simulaciones por ordenador en busca de pilas de hidrógeno que muevan vehículos eléctricos. El equipo investiga también la catálisis química a través de nanopartículas, llamada a mejorar numerosos procesos industriales.
El Grupo de Física de Nanoestructuras de la Universidad de Valladolid (UVa) se dedica al estudio de materiales que puedan servir para almacenar hidrógeno, pensando principalmente en sustituir en un futuro a los vehículos que en la actualidad consumen gasolina o gasóleo por otros eléctricos que funcionen mediante pilas de hidrógeno. Los cálculos por ordenador que llevan a cabo resultan esenciales para avanzar en esta línea de investigación, que espera ofrecer una alternativa sólida para el transporte del futuro.
El material que se busca sería “equivalente a una esponja", explica el catedrático Julio Alfonso Alonso, “que es capaz de almacenar agua gracias a que tiene poros y pequeñas cavidades, lo que permite que entre el líquido y quede retenido". En este caso, el objetivo es atrapar hidrógeno, que sería liberado mediante un aumento de la temperatura.
Sin embargo, no se trata de quemar hidrógeno como combustible, sino de emplearlo como parte del sistema de un vehículo eléctrico. La generación de electricidad se conseguiría mediante un proceso químico, al lograr una reacción del hidrógeno en contacto con el oxígeno. Básicamente, el hidrógeno se oxida y los electrones que pierde se transforman en corriente eléctrica para las pilas que moverán los motores eléctricos. El único residuo de esa reacción es el vapor de agua, de manera que este método sería inocuo para el medio ambiente, logrando una propulsión sin emisiones contaminantes.
Hasta ahora el único sistema de características similares emplea bombonas de hidrógeno, pero genera muchas dudas, así que numerosas investigaciones teóricas y experimentales buscan mejorar el método. Desde el punto de vista de la simulación teórica, los científicos de la UVa calculan las características del material poroso que buscan.
“Hoy en día las simulaciones por ordenador son tan sofisticadas que casi equivalen a un experimento de laboratorio, con sus procesos físicos y químicos", comenta el coordinador del Grupo de Física de Nanoestructuras de la Universidad de Valladolid. Los científicos tienen que analizar cómo sería la interacción del hidrógeno y el material que debe contenerlo, así como la forma de liberarlo posteriormente para generar la corriente eléctrica que movería el coche.
Los científicos trabajan con muchas propuestas, pero aún no han dado con el material definitivo. El Grupo de Física de Nanoestructuras se centra en los carbones porosos, que parecen tener todas las características de “esponja" que serían necesarias. En general, estos materiales de carbono tienen una estructura desordenada, con redes de poros y túneles interiores que los convierten en buenos candidatos para almacenar hidrógeno.
Uno de los materiales formados por carbono más populares es el grafeno, que tiene una sola capa de átomos y podría formar las paredes de los poros de esos futuros “contenedores" de hidrógeno. “Producir carbonos porosos es sencillo y barato, los químicos saben cómo hacerlo a partir de carburos, que son compuestos formados por carbono y un elemento adicional que se puede eliminar", comenta Julio Alfonso Alonso. Por eso, en su opinión, el verdadero reto no está en producirlos ni en definir una estructura determinada o conseguir que los poros tengan un tamaño adecuado, todos ellos objetivos asequibles, sino en modificarlos mediante procesos físicos o químicos para aumentar su capacidad para almacenar hidrógeno hasta los niveles requeridos por la industria automovilística.
El Grupo de Física de Nanoestructuras ha obtenido la calificación de Unidad de Investigación Consolidada por parte de la Junta de Castilla y León, un distintivo que reconoce a los grupos de investigación de la comunidad que cuentan con un mayor nivel de calidad y de producción científica. Aunque el trabajo sobre almacenamiento de hidrógeno ocupa buena parte de su tiempo, los científicos que lo integran desarrollan otra potente línea de investigación en torno a la catálisis química.
“Un catalizador es un material que ayuda a aumentar la velocidad de una reacción sin participar en ella. Por ejemplo, si en la actualidad los coches que tenemos emiten pocos gases nocivos es porque ya cuentan con catalizadores muy buenos", afirma el catédratico.
La gran novedad en este campo es que los investigadores trabajan con nanopartículas, es decir, esperan desarrollar catalizadores basados en materiales de un tamaño tan pequeño que se puedan medir en nanómetros (la milmillonésima parte del metro). Lo más interesante es que las propiedades cambian en esta escala. “El oro es un material noble, no se oxida, pero si en lugar de tener un gran bloque, lo reducimos a unos pocos cientos de átomos, se convierte en reactivo y es un catalizador muy interesante", pone como ejemplo el experto.
Las aplicaciones de estos estudios son incalculables porque casi todas las industrias químicas usan catalizadores y mejorarlos a escala nanométrica supone conseguir reacciones más rápidas y más eficientes.
Tanto en la línea de almacenamiento de hidrógeno como en la de catálisis química, este grupo de la UVa mantiene colaboraciones internacionales de primer nivel, en la actualidad, con científicos de Estados Unidos, Bélgica e Israel. En España, mantienen estrechas relaciones con la Universidad de Burgos, el CSIC y la Universidad del País Vasco.
En muchas ocasiones, la colaboración se establece con grupos similares que realizan simulaciones teóricas por ordenador que resultan complementarias para el trabajo que están desarrollando. Otras veces requieren sus servicios grupos experimentales que trabajan en los laboratorios con materiales reales, para quienes resulta imprescindible apoyar sus resultados en la exactitud de los cálculos teóricos. “Nosotros podemos decirles lo que sucede en cada átomo", apunta el investigador. Para desarrollar estas investigaciones, el Grupo de Física de Nanoestructuras se apoya en la financiación de proyectos nacionales y regionales.