La transición global hacia fuentes de energía limpias y la descarbonización de la economía se enfrenta a un obstáculo clave: el precio y la disponibilidad de los materiales necesarios para la producción de hidrógeno verde. Durante años, científicos de todo el mundo han estado buscando una solución al problema del iridio, un metal precioso más valioso que el oro, que es crucial para la producción eficiente de hidrógeno a partir del agua. Ahora, gracias a una tecnología revolucionaria desarrollada en la Universidad Northwestern de Estados Unidos en colaboración con el Toyota Research Institute (TRI), parece que se ha encontrado una solución, y en un tiempo récord.

Un equipo de investigadores ha logrado descubrir un nuevo material que no solo iguala el rendimiento del iridio, sino que en algunos aspectos lo supera, y todo por una fracción del coste. Este avance no solo abre la puerta a una producción de hidrógeno verde significativamente más barata, sino que también demuestra el poder de un nuevo enfoque que podría cambiar fundamentalmente la forma en que descubrimos nuevos materiales para todo, desde baterías hasta medicina avanzada.

Iridio: El cuello de botella caro y raro de la transición verde

El hidrógeno verde se considera el santo grial de la energía del futuro. Se produce mediante el proceso de electrólisis del agua, donde se utiliza energía eléctrica para dividir las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno. Si bien el hidrógeno es el producto deseado, la reacción de evolución de oxígeno (OER - Oxygen Evolution Reaction) es la parte del proceso más exigente técnicamente y más lenta. Para acelerar esta reacción y hacerla más eficiente, se necesitan catalizadores, y aquí es donde entra en juego el iridio.

El iridio ha demostrado ser el catalizador más eficaz y estable, especialmente en las condiciones ácidas típicas de los electrolizadores PEM, una de las tecnologías líderes para la producción de hidrógeno. Sin embargo, el iridio tiene dos grandes inconvenientes. Primero, es uno de los elementos más raros de la corteza terrestre. Se obtiene más comúnmente como subproducto de la minería del platino, y su producción anual se mide en apenas unas pocas toneladas. Segundo, su rareza también dicta un precio astronómico. Con un precio que ronda los 5.000 dólares por onza, es considerablemente más caro que el oro. Los expertos coinciden: simplemente no hay suficiente iridio en el mundo para satisfacer las necesidades proyectadas para la producción masiva de hidrógeno verde. Este es un obstáculo fundamental que frena la expansión global de la economía del hidrógeno.

Megabiblioteca: Una fábrica de nanomateriales en un solo chip

Enfrentado a este desafío, un equipo liderado por Chad A. Mirkin, pionero de la nanotecnología de la Universidad Northwestern, aplicó su revolucionario invento llamado la «megabiblioteca». Es una plataforma que funciona como una especie de «fábrica de datos» para nanomateriales. En un solo chip diminuto, más pequeño que un sello de correos, se alojan millones, e incluso cientos de millones, de nanopartículas diseñadas de forma única.

El proceso de creación de una megabiblioteca es fascinante. Se utilizan matrices con decenas de miles de puntas microscópicas, similares a pirámides, cada una de las cuales actúa como un «nano-bolígrafo» en miniatura. Estas puntas depositan diminutas gotas de soluciones de sales metálicas sobre la superficie del chip en combinaciones definidas con precisión. Cada gota representa una «receta» única. Después de depositar todas las gotas, el chip se calienta, lo que conduce a la reducción de las sales y a la formación de nanopartículas sólidas, cada una con una composición química y un tamaño determinados con precisión. Como explicó gráficamente el profesor Mirkin: «Puedes imaginar cada punta como una persona diminuta en un laboratorio diminuto. En lugar de que una persona haga una estructura, tienes millones de personas. Básicamente, tienes todo un ejército de investigadores desplegados en un solo chip.»

Una búsqueda relámpago del reemplazo ideal

El descubrimiento tradicional de materiales es un proceso lento y laborioso, lleno de innumerables pruebas y errores. La megabiblioteca acelera este proceso exponencialmente. En este estudio en particular, el objetivo era encontrar una alternativa barata y abundante al iridio. Los científicos se centraron en combinaciones de cuatro metales mucho más disponibles conocidos por sus propiedades catalíticas: rutenio, cobalto, manganeso y cromo.

En el chip se crearon la increíble cantidad de 156 millones de nanopartículas únicas, cada una con una proporción diferente de estos cuatro metales. Después de la síntesis, un escáner robótico de alto rendimiento recorrió la escena. Este sistema automatizado probó de manera rápida y eficiente cada una de los millones de partículas para evaluar su capacidad para catalizar la reacción de evolución de oxígeno. Basándose en estas pruebas preliminares, el equipo identificó los candidatos más prometedores y los seleccionó para pruebas de laboratorio adicionales y más detalladas.

La fórmula ganadora: Estabilidad y eficiencia sin el alto precio

Tras rigurosas pruebas, una composición destacó como la ganadora absoluta. Se trata de una combinación específica de los cuatro metales en forma de óxido: Ru52Co33Mn9Cr6. Es sabido que los catalizadores multimetálicos a menudo presentan efectos sinérgicos, donde la combinación de elementos produce mejores resultados que cada elemento por separado. Esto se confirmó también en este caso.

El nuevo material mostró una actividad igual, y en algunas pruebas incluso ligeramente superior, a la de los catalizadores comerciales a base de iridio. Pero la verdadera victoria reside en su estabilidad. El rutenio, que es un buen catalizador por sí solo, suele ser inestable en condiciones ácidas agresivas. Sin embargo, en esta combinación, el cobalto, el manganeso y el cromo actúan como estabilizadores, dotando al material de una durabilidad a largo plazo. En pruebas a largo plazo, el nuevo catalizador funcionó durante más de 1.000 horas con alta eficiencia y una estabilidad excepcional en condiciones adversas. Si a esto se le añade el aspecto financiero –el coste estimado de este material es aproximadamente dieciséis veces menor que el del iridio–, queda claro que se trata de un descubrimiento con un potencial enorme.

El futuro está en la fusión de la nanotecnología y la inteligencia artificial

Este éxito no solo es importante para el futuro del hidrógeno verde, sino también para todo el campo de la ciencia de los materiales. El enfoque basado en megabibliotecas genera enormes cantidades de datos de alta calidad sobre la relación entre la estructura de un material y sus propiedades. Dichos conjuntos de datos son una base ideal para la aplicación de la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático.

La Universidad Northwestern, TRI y Mattiq, una empresa derivada del laboratorio universitario, ya han desarrollado algoritmos de aprendizaje automático que pueden analizar datos de las megabibliotecas a una velocidad que supera las capacidades humanas. La IA puede reconocer patrones y correlaciones sutiles y predecir qué combinaciones de elementos podrían dar resultados aún mejores, guiando así la investigación futura. Como señala el profesor Mirkin, esto es solo el principio. El objetivo es aplicar esta plataforma a la búsqueda de mejores materiales en casi todos los sectores tecnológicos: desde baterías más eficientes y materiales para reactores de fusión hasta componentes ópticos avanzados y dispositivos biomédicos. Vivimos en un mundo que a menudo no utiliza los mejores materiales posibles, sino aquellos que estaban disponibles con las herramientas del pasado. Esta tecnología ofrece la oportunidad de cambiar eso y de encontrar la solución óptima para cada aplicación, sin concesiones.