Un descubrimiento energético espera dentro del giro de los átomos

Los científicos del Laboratorio Nacional de las Montañas Rocosas (NLR), Bennett Addison (a la izquierda) y Ross Kerner, estudian los resultados de un escaneo por resonancia magnética nuclear (RMN) de un material semiconductor. Su curiosidad y deseo por explorar los métodos menos utilizados de la RMN han demostrado que se encuentran a la vuelta de la esquina nuevos descubrimientos en diversas aplicaciones energéticas. Foto por Agata Bogucka, Laboratorio Nacional de las Montañas Rocosas.

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Investigadores del Laboratorio Nacional de las Montañas Rocosas utilizan resonancia magnética nuclear para impulsar la innovación en baterías, semiconductores y bioplásticos

Cuando los investigadores llevan sus invenciones al laboratorio de Bennett Addison, él suele hacerles una pregunta: “¿De verdad crearon lo que piensan haber creado?”

A nivel atómico, la respuesta suele ser no. Las empresas creen que han fabricado un semiconductor impecable, pero su rendimiento no cumple con las expectativas. Un científico piensa que ha creado una fibra sintética resistente, pero esta se rompe de forma inexplicable. Ambos pasan por alto una técnica con 80 años de antigüedad que consiste en girar átomos con imanes y que permite analizar la estructura atómica de manera excepcionalmente precisa en numerosos campos: la resonancia magnética nuclear (RMN).

“Casi con total seguridad existe una forma en la que la RMN puede ser útil en su campo. Solo tienen que ir y aplicarla”, dijo Addison, quien habla desde su experiencia como director de instalaciones de RMN y especialista principal en esta técnica en el Laboratorio Nacional de las Rocosas del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) (NLR).

En la mayoría de los laboratorios, los químicos orgánicos realizan análisis básicos para confirmar simplemente si las sustancias químicas utilizadas reaccionaron correctamente y generaron un producto final puro. Una vez capacitados, los científicos de NLR pueden llevar a cabo estos análisis rutinarios de forma independiente, recayendo en Addison solo cuando se trata de experimentos más complejos.

Pero, según los resultados no habituales que ha visto recientemente, Addison cree que la RMN es más versátil de lo que la industria o los investigadores reconocen. No solo puede servir para gran parte de las investigaciones de NLR, sino que también podría impulsar innovaciones propias que otorguen una ventaja competitiva a las industrias estadounidenses de energía, química, materiales y minerales críticos, siempre y cuando más investigadores prueben sus métodos menos utilizados. Eso es exactamente lo que sucedió cuando el investigador de NLR Ross Kerner entró en el laboratorio.

La RMN detecta defectos en los semiconductores y sorprende a los fabricantes

Kerner conoció la RMN durante sus estudios de posgrado por insistencia de un colaborador y profesor de química. Era uno de esos cursos de laboratorio que muchos estudiantes hacen a la ligera, limitándose a lo superficial, ya que profundizar requiere conocer más química. Pero para quienes están dispuestos a enfrentar el desafío, la RMN ofrece métodos para estudiar casi cualquier material.

Para practicar el arte de la RMN, un investigador debe aprender las características de espín y la estructura de los núcleos. En las exploraciones RMN más comunes, preparan su muestra en una solución líquida, la colocan dentro de un imán y analizan los resultados, que son picos en un gráfico que indican el entorno químico y la cantidad de átomos, generalmente hidrógeno. Eso corresponde al primer semestre.

Pero al igual que la tabla periódica, la RMN adquiere cada vez más matices. Puede evaluar los cambios en la configuración de las proteínas. Puede detectar el espín de casi cualquier elemento de la tabla periódica, siempre que se disponga de imanes lo suficientemente potentes (aunque 1H, 13C, 31P y 19F son de los más comunes). La RMN puede analizar geles insolubles al hacer girar las muestras en un “ángulo mágico”, y trucos similares permiten estudiar las estructuras de los sólidos mediante RMN en estado sólido.

Una vez que Kerner comprendió su valor, se sumergió en la química. Utilizó la RMN en su tesis y posteriormente en el NLR para estudiar cristales semiconductores híbridos de tipo haluro orgánico-inorgánico. Pronto Kerner se convirtió en un miembro habitual del laboratorio de RMN, donde ya tenía suficiente experiencia como para realizar sus propias exploraciones, pero se sentía estancado en análisis rutinarios.

“Estaba haciendo cosas realmente rutinarias”, dijo Kerner. “Luego empecé a hablar más con Bennett”.

En ese momento, Addison acababa de asumir el cargo de director de la instalación de RMN además de ser científico del equipo. Compartía la curiosidad de Kerner.

“Pasamos mucho tiempo charlando mientras esperamos un análisis de rutina”, dijo Addison. “Siempre pregunto a los científicos en qué están trabajando y me pregunto cómo puede ayudar la RMN”.

Con solo una pequeña sala rodeada por cuatro imanes, las conversaciones son inevitables. Addison recordó el momento en que su charla tomó un giro interesante:

“Estábamos discutiendo ideas para proyectos, y pronto nos dimos cuenta de que deberíamos usar el imán de 600 megahercios con nuestra sonda criogénica para mejorar la sensibilidad. Entonces, Ross dijo: ‘Consigamos las películas delgadas del fabricante para cuantificar e identificar el disolvente atrapado’”.

En otras palabras, queríamos ver realmente cuán puro era el producto del proveedor.

Esa fue la forma en que Kerner volvió a conocer el poder del RMN. Disolvió capas finas de los semiconductores del proveedor en una bandeja de muestras y colocó dichas muestras en el imán de mayor sensibilidad. A partir de los datos obtenidos, detectó impurezas en cada muestra. Fue entonces cuando la industria prestó atención.

“Mostré a varios fabricantes, de manera cuantitativa, cuántas impurezas había o no en su producto final, y eso los dejó asombrados. Literalmente dos experimentos, dos días de uso del RMN, permitieron que varias empresas ajustaran su proceso y mejoraran sus productos”, dijo Kerner.

Kerner, Addison y otros colaboradores han publicado este trabajo en Nature, ACS Applied Energy Materials e InfoMat.

“Las empresas no suelen pensar en acceder a este tipo de herramientas y llevarlas al límite, pero a medida que comienzan a establecer cadenas de suministro y escalar la producción, es sumamente importante medir con precisión lo que se parte y evaluar lo que se produce”, dijo.

Kerner ahora se apresura a explorar el amplio mundo de la RMN.

“Ahora que ya estoy al día, Bennett y yo estamos siempre ideando cosas nuevas. No puedo esperar a probar nuevos métodos con la RMN”, dijo Kerner. “Tengo varias aplicaciones en mente, algunas de las cuales se combinarán con las capacidades de automatización de alto rendimiento; simplemente estoy esperando a que el campo alcance ese punto en el que pueda brillar plenamente”.

Addison está seguro de que un despertar similar podría ocurrir en cualquier área científica.

Con la RMN, el mundo se abre

La curiosidad por explorar la profundidad invisible de la naturaleza está presente entre quienes trabajan con RMN. Addison se inició en esta técnica analizando la estructura de la seda de araña, y su asistente de laboratorio, Malitha Dickwella, comenzó su carrera estudiando hongos.

“Al revisar la literatura, las representaciones de materiales heterogéneos complejos como la lignocelulosa suelen ser dibujos animados o representaciones artísticas, que son estancas y casi nunca accesibles mediante cálculos computacionales”, dijo Addison. “No se pueden probar hipótesis con un dibujo animado”.

La pared celular secundaria de un álamo, por ejemplo, solía ser solo un dibujo animado, hasta que Addison y sus colaboradores crearon su primer modelo macromolecular. Ahora se puede comprimir, estirar y analizar en una computadora, lo que acelera los descubrimientos en bioenergía y ciencias vegetales. Esto es esencial para reducir los costos de convertir biomasa en productos químicos, fertilizantes, materiales y combustibles.

“Para crear modelos informáticos para simulaciones moleculares, se necesitan restricciones espaciales estrictas para colocar los átomos en las ubicaciones correctas. En lugar de afirmaciones vagas como ‘estas partes están en contacto’, la RMN ha proporcionado métricas cuantitativas sobre cómo están dispuestos los polímeros entre sí”, dijo Peter Cieselski, científico de NLR que creó la visualización y coautor del artículo ‘Atomistic, Macromolecular Model of the Populus Secondary Cell Quantitatively Informed by Solid-State NMR’.

Un estudio posterior de 2026 reveló que la estructura de la pared celular secundaria se mantiene constante.

Este modelo computacional fue posible gracias a la RMN de estado sólido. Mantuvieron la célula intacta, en lugar de disolverla en solución como ocurría con los semiconductores de Kerner. Sin embargo, el isótopo de carbono-12 que los árboles absorben de la atmósfera —y que constituye su madera— es apenas detectable con RMN. En su lugar, cultivaron las plantas con una dieta parcial a base de carbono-13, que contiene un neutrón adicional cuyo espín puede ser detectado.

“Si se puede enriquecer isotópicamente, el mundo se abre”, dijo Bennett.

Y si no es posible, Bennett también ha publicado un artículo de revisión sobre el uso de la RMN de estado sólido en materiales de bioenergía con abundancia isotópica natural. De hecho, los científicos casi siempre pueden encontrar un método de RMN que les permita explorar el mundo atómico. Solo depende de lo que quieran observar.

A continuación se presentan algunos ejemplos más de lo que puede hacer la RMN.

Escaneos rápidos de un bosque: RMN para materias primas de bioproducción

Cada árbol es diferente, lo cual no resulta ideal para las industrias que utilizan residuos forestales para fabricar químicos, materiales, fertilizantes y combustibles de origen biológico. Para una industria cuyas ganancias dependen de la energía contenida en miles de plantas individuales, resulta útil conocer cómo varían las plantaciones. En este caso, el método RMN es la RMN de estado líquido de alto rendimiento.

Gracias a fondos del Center for Bioenergy Innovation, una iniciativa interdisciplinaria de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EE. UU., NLR ha utilizado la RMN para demostrar cómo varían las propiedades de azúcar y lignina en los árboles de álamo a lo largo de una plantación. En lugar de un análisis detallado de la estructura celular, esta técnica solubiliza las muestras de árboles y las procesa rápidamente en lotes.

Gracias a la resolución atómica de la estructura de los materiales, posible gracias al RMN en estado sólido, Addison y sus colaboradores están ampliando los límites de cómo los científicos conocen y estudian sus muestras. En este caso, sus escaneos de polímeros en la madera de Populus hacen que la pared celular del árbol sea accesible desde el punto de vista computacional: ahora, los científicos pueden experimentar con precisión con la estructura de la madera para desarrollar métodos más eficaces para obtener bioprodutos y, sobre todo, pueden visualizarla de manera detallada. Su trabajo fue financiado por el programa de Investigación Biológica y Ambiental del DOE y por la Oficina de Combustibles y Materia Prima Alternativos. Visualización realizada por Peter Cieselski, Laboratorio Nacional de las Rocosas.

“Con nuestras pipelines analíticas de alto rendimiento que incluyen RMN, podemos convertir un bosque en un conjunto de datos. Podemos analizar de manera eficiente la presencia de azúcares y lignina en cientos o miles de muestras, lo que nos permite identificar fenotipos extremos y relacionar las características físicas con la genética”, dijo Bennett.

El resultado es que, con un poco de capacitación y el equipo adecuado, cualquier científico puede descubrir rápidamente la composición de miles de plantas. Con este conocimiento, pueden mejorar la densidad energética y la consistencia de los químicos y combustibles de origen biológico.

Métodos mágicos: RMN para bioplásticos y polímeros

La interrogación atómica es especialmente difícil en polímeros complejos. Las unidades moleculares no se descomponen por completo en solución, ni son muy sensibles al análisis en estado sólido. Los plásticos, los bioprodutos e incluso las muestras vivas como el tejido cerebral requieren otro enfoque: algo intermedio entre el estado líquido y el sólido.

El método de RMN de giro en ángulo mágico de alta resolución es muy adecuado para tales materiales. Con el apoyo del consorcio BOTTLE del Departamento de Energía de los EE. UU., NLR es un laboratorio líder en el desarrollo de estrategias de reciclaje químico y en la creación de polímeros con mejor rendimiento. Esta investigación incluye la síntesis de materiales elásticos de origen biológico.

Para caracterizar estos nuevos materiales, Bennett utiliza un detector de RMN especial que hace girar la muestra en el ángulo adecuado: 54.7 grados, lo cual le confiere la llamada propiedad mágica que permite realizar la caracterización por RMN de materiales no disueltos. Es algo similar a inclinar la cabeza lo suficiente como para mirar a través de una grieta. Un equipo del NLR empleó este enfoque para confirmar las propiedades de materiales elásticos y biodegradables, destinados a aplicaciones en adhesivos, robótica y electrónica.

Fuera del sitio: RMN para baterías de iones de litio

Los iones de una batería tienden a moverse de un sitio a otro. La velocidad de esta difusión y el orden en que se desplazan los iones pueden determinar la conductividad de la batería y, por lo tanto, su rendimiento. Sin embargo, la mayoría de los factores involucrados siguen siendo desconocidos, incluido el papel de la temperatura.

Addison ayudó a un equipo de investigadores en baterías del NLR, financiado por un proyecto dirigido por el NLR, a utilizar la RMN de estado sólido con litio-7 para analizar la difusión de iones en distintas temperaturas. Gracias a la RMN, los autores descubrieron cómo el desorden en los sitios iónicos impulsa la difusión en las químicas Li6PS5X.

“Considero que este área es muy emocionante: es una gran puerta abierta”, dijo Bennett, refiriéndose a la RMN aplicada a baterías y electrolitos. “Es algo así como esperar a que alguien como Ross entre y amplíe las posibilidades”.

Por ahora, esa puerta está completamente abierta en el NLR.

Para adentrarse más en la naturaleza, comience con curiosidad

Los científicos, al igual que sus muestras, pueden ser semirrígidos; esto podría explicar por qué la RMN no se utilizó de esta manera antes.

“No sé por qué no lo hicimos antes”, recordó Kerner. “Creo que la gente se queda atrapada en su rutina”.

Addison está de acuerdo: “Probablemente muchos científicos simplemente nunca recibieron capacitación”.

En NLR, la capacitación para realizar escaneos rutinarios puede completarse en solo unas horas. De hecho, a lo largo del día, docenas de científicos visitan la instalación de RMN para realizar un escaneo en estado de solución de 20 minutos. Actualmente, alrededor de 120 usuarios registrados realizan escaneos de RMN en NLR, mientras que docenas de socios industriales de campos muy distintos dependen de estos escaneos rutinarios para mejorar sus productos.

Pero para cualquier cosa más allá de lo básico, es útil contar con Addison en la sala. Su experiencia resulta valiosa no solo para generar ideas, sino también para interpretar los resultados, que para cualquier otro podrían parecer simplemente picos en un gráfico. Se requiere una comprensión profunda de la química y la física, además de apreciar todas las particularidades de los giros de los protones, las proporciones isotópicas y las afinidades electromagnéticas.

Sobre todo, puede que sea necesaria la curiosidad.

“Si no estás familiarizado con la RMN, no sabes lo fácil y poderosa que es”, dijo Kerner. “Hay que tener curiosidad e iniciativa para hacerse la pregunta: ‘¿Qué es exactamente lo que introduzco y qué obtengo?’ Hay que estar dispuesto a salir de la zona de confort.”

Aprenda más sobre los laboratorios analíticos de NLR, así como sobre su investigación en caracterización de biomasa y bioproducciones, ciencia de materiales y almacenamiento de energía electroquímica.

Por Connor O’Neil, NLR