Imagen. / Crédito: Jodi Hilton

En muchos procesos industriales, la forma típica de separar gases, líquidos o iones es mediante calor, utilizando pequeñas diferencias en los puntos de ebullición para purificar las mezclas. Estos procesos térmicos representan aproximadamente el 10 por ciento del consumo de energía en los Estados Unidos.

El ingeniero químico del MIT Zachary Smith quiere reducir los costos y la huella de carbono reemplazando estos procesos que consumen mucha energía por filtros altamente eficientes que puedan separar gases, líquidos e iones a temperatura ambiente.

En su laboratorio del MIT, Smith está diseñando membranas con poros diminutos que pueden filtrar moléculas diminutas en función de su tamaño. Estas membranas podrían ser útiles para purificar biogás, capturar dióxido de carbono de las emisiones de las centrales eléctricas o generar combustible de hidrógeno.

“Estamos tomando materiales que tienen capacidades únicas para separar moléculas e iones con precisión y aplicándolos a aplicaciones donde los procesos actuales no son eficientes y donde hay una enorme huella de carbono”, dice Smith, profesor asociado de ingeniería química.

Smith y varios ex alumnos han fundado una empresa llamada Osmoses que trabaja para desarrollar estos materiales para su uso a gran escala en la purificación de gases. Eliminar la necesidad de altas temperaturas en estos procesos industriales generalizados podría tener un impacto significativo en el consumo de energía, reduciéndolo potencialmente hasta en un 90 por ciento.

“Me encantaría ver un mundo donde pudiéramos eliminar las separaciones térmicas y donde el calor ya no fuera un problema para crear las cosas que necesitamos y producir la energía que necesitamos”, dice Smith.

Adicto a la investigación

Cuando era estudiante de secundaria, Smith se sintió atraído por la ingeniería, pero no tuvo muchos modelos a seguir en ese campo. Sus padres eran médicos y siempre lo alentaron a trabajar duro en la escuela.

“Crecí sin conocer a muchos ingenieros, y ciertamente a ningún ingeniero químico. Pero sabía que realmente me gustaba ver cómo funcionaba el mundo. Siempre me fascinó la química y ver cómo las matemáticas ayudaban a explicar esta área de la ciencia”, recuerda Smith, quien creció cerca de Harrisburg, Pensilvania. “La ingeniería química parecía tener todas esas cosas incorporadas, pero realmente no tenía idea de qué era”.

En la Universidad Estatal de Pensilvania, Smith trabajó con un profesor llamado Henry “Hank” Foley en un proyecto de investigación para diseñar materiales a base de carbono con el fin de crear un “tamiz molecular” para la separación de gases. Mediante un proceso de estratificación iterativo y que llevó mucho tiempo, creó un tamiz que podía purificar el oxígeno y el nitrógeno del aire.

“Seguí añadiendo más y más capas de un material especial que luego podía carbonizar y, finalmente, empecé a lograr selectividad. Al final, había creado una membrana que podía tamizar moléculas que solo diferían en 0,18 angstroms en tamaño”, afirma. “En ese momento me enganché con la investigación y eso fue lo que me llevó a hacer más cosas en el área de las membranas”.

Después de graduarse de la universidad en 2008, Smith realizó estudios de posgrado en ingeniería química en la Universidad de Texas en Austin. Allí, continuó desarrollando membranas para la separación de gases, esta vez utilizando una clase diferente de materiales: polímeros. Al controlar la estructura de los polímeros, pudo crear películas con poros que filtran moléculas específicas, como el dióxido de carbono u otros gases.

“Los polímeros son un tipo de material que se puede transformar en dispositivos de gran tamaño que se pueden integrar en plantas químicas de primera clase. Por eso, fue emocionante ver que existía una clase escalable de materiales que podría tener un impacto real en la solución de cuestiones relacionadas con el CO2 y otras separaciones energéticamente eficientes”, afirma Smith.

Después de terminar su doctorado, decidió que quería aprender más química, lo que lo llevó a una beca postdoctoral en la Universidad de California en Berkeley.

“Quería aprender a fabricar mis propias moléculas y materiales. Quería llevar a cabo mis propias reacciones y hacerlo de una manera más sistemática”, afirma.

En Berkeley, aprendió a fabricar compuestos llamados estructuras metalorgánicas (MOF), moléculas con forma de jaula que tienen aplicaciones potenciales en la separación de gases y en muchos otros campos. También se dio cuenta de que, si bien disfrutaba de la química, en el fondo era un ingeniero químico.

“Aprendí muchísimo cuando estuve allí, pero también aprendí mucho sobre mí mismo”, afirma. “Aunque me encanta la química, trabajo con químicos y asesoro a químicos de mi propio grupo, definitivamente soy un ingeniero químico, muy centrado en el proceso y la aplicación”.

Solución de problemas globales

Mientras buscaba trabajo como profesor, Smith se sintió atraído por el MIT debido a la mentalidad de las personas que conoció.

“Comencé a darme cuenta no solo del talento de los profesores y los estudiantes, sino también de que su forma de pensar era muy diferente a la de otros lugares en los que había estado”, afirma. “No se trataba solo de hacer algo que hiciera avanzar un poco su campo. En realidad, estaban creando nuevos campos. Había algo inspirador en el tipo de personas que terminaron en el MIT y que querían resolver problemas globales”.

En su laboratorio del MIT, Smith ahora está abordando algunos de esos problemas globales, incluida la purificación del agua, la recuperación de elementos críticos, la energía renovable, el desarrollo de baterías y el secuestro de carbono.

En estrecha colaboración con Yan Xia, profesor de la Universidad de Stanford, Smith desarrolló recientemente membranas de separación de gases que incorporan un nuevo tipo de polímero conocido como “polímeros en escalera”, que actualmente se están escalando para su implementación en su empresa emergente. Históricamente, el uso de polímeros para la separación de gases se ha visto limitado por un equilibrio entre la permeabilidad y la selectividad; es decir, las membranas que permiten un flujo más rápido de gases a través de la membrana tienden a ser menos selectivas, lo que permite que las impurezas pasen.

Mediante el uso de polímeros en escalera, que consisten en cadenas dobles conectadas por enlaces tipo peldaño, los investigadores pudieron crear membranas de separación de gases que son a la vez altamente permeables y muy selectivas. El aumento de la permeabilidad (una mejora de 100 a 1.000 veces con respecto a los materiales anteriores) podría permitir que las membranas reemplacen algunas de las técnicas de alta energía que se utilizan actualmente para separar gases, afirma Smith.

“Esto permite imaginar problemas industriales a gran escala que se pueden resolver con dispositivos miniaturizados”, afirma. “Si se puede reducir el tamaño del sistema, las soluciones que estamos desarrollando en el laboratorio podrían aplicarse fácilmente a grandes industrias, como la industria química”.

Estos desarrollos y otros han sido parte de una serie de avances realizados por colaboradores, estudiantes, posdoctorados e investigadores que forman parte del equipo de Smith.

“Tengo un gran equipo de investigación compuesto por estudiantes y posdoctorados talentosos y trabajadores, y puedo enseñar sobre temas que han sido fundamentales en mi propia carrera profesional”, afirma Smith. “El MIT ha sido un lugar donde explorar y aprender cosas nuevas. Estoy entusiasmado por lo que mi equipo descubrirá a continuación y agradecido por la oportunidad de ayudar a resolver muchos problemas globales importantes”.

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