La mecanoquímica (o química mecánica ) es el inicio de reacciones químicas mediante fenómenos mecánicos. La mecanoquímica representa así una cuarta forma de provocar reacciones químicas, complementando las reacciones térmicas en fluidos, la fotoquímica y la electroquímica . Convencionalmente, la mecanoquímica se centra en las transformaciones de enlaces covalentes mediante fuerza mecánica. No están cubiertos por el tema muchos fenómenos: transiciones de fase , dinámica de biomoléculas (acoplamiento, plegamiento) y sonoquímica . [1]
La mecanoquímica no es lo mismo que la mecanosíntesis , que se refiere específicamente a la construcción controlada por máquinas de productos moleculares complejos. [2] [3]
En entornos naturales, las reacciones mecanoquímicas son frecuentemente inducidas por procesos físicos como terremotos, [4] movimiento de glaciares [5] o acción hidráulica de ríos u olas. En entornos extremos, como los lagos subglaciales, el hidrógeno generado por reacciones mecanoquímicas que involucran rocas de silicato trituradas y agua puede sustentar comunidades microbianas metanogénicas. Y la mecanoquímica puede haber generado oxígeno en la Tierra antigua al dividir el agua en superficies minerales fracturadas a altas temperaturas, lo que podría influir en el origen de la vida o en la evolución temprana. [6]
El proyecto mecanoquímico primordial era hacer fuego frotando trozos de madera entre sí, creando fricción y, por tanto, calor, desencadenando la combustión a temperatura elevada. Otro método implica el uso de pedernal y acero , durante el cual una chispa (una pequeña partícula de metal pirofórico ) arde espontáneamente en el aire, provocando un incendio instantáneamente.
La mecanoquímica industrial comenzó con la molienda de dos reactivos sólidos. El sulfuro de mercurio (el mineral cinabrio ) y el cobre metálico reaccionan para producir mercurio y sulfuro de cobre: [7]
Un número especial de Chemical Society Review estuvo dedicado a la mecanoquímica. [8]
Los científicos reconocieron que las reacciones mecanoquímicas ocurren en ambientes naturales debido a diversos procesos, y que los productos de la reacción tienen el potencial de influir en las comunidades microbianas en regiones tectónicamente activas. [4] El campo ha atraído cada vez más atención recientemente ya que la mecanoquímica tiene el potencial de generar diversas moléculas capaces de soportar microbios extremófilos, [5] influyendo en la evolución temprana de la vida, [6] desarrollando los sistemas necesarios para el origen de la vida, [6 ] o sustentar formas de vida extraterrestres. [9] El campo ha inspirado ahora el inicio de un tema de investigación especial en la revista Frontiers in Geochemistry. [10]
Los terremotos aplastan rocas en el subsuelo de la Tierra y en otros planetas tectónicamente activos. Los ríos también erosionan con frecuencia las rocas, revelando superficies minerales frescas y las olas en la costa erosionan los acantilados, fracturan las rocas y erosionan los sedimentos. [11]
Al igual que los ríos y los océanos, el poder mecánico de los glaciares se evidencia en su impacto en los paisajes. A medida que los glaciares descienden ladera abajo, erosionan las rocas, generando superficies minerales fracturadas que pueden participar en reacciones mecanoquímicas.
En los laboratorios, los molinos planetarios de bolas se utilizan normalmente para inducir la trituración [5] [6] con el fin de investigar procesos naturales.
Las transformaciones mecanoquímicas suelen ser complejas y diferentes de los mecanismos térmicos o fotoquímicos. [12] [13] El molino de bolas es un proceso ampliamente utilizado en el que se utiliza la fuerza mecánica para lograr transformaciones químicas. [14] [15]
Elimina la necesidad de muchos disolventes, lo que ofrece la posibilidad de que la mecanoquímica pueda ayudar a que muchas industrias sean más respetuosas con el medio ambiente. [16] [17] Por ejemplo, el proceso mecanoquímico se ha utilizado para sintetizar fenol hidrazonas farmacéuticamente atractivas . [18]
Las reacciones mecanoquímicas abarcan reacciones entre materiales sólidos fracturados mecánicamente y cualquier otro reactivo presente en el medio ambiente. Sin embargo, las reacciones mecanoquímicas naturales implican frecuentemente la reacción del agua con roca triturada, las llamadas reacciones agua-roca. [6] [5] [4] La mecanoquímica generalmente se inicia con la rotura de enlaces entre átomos dentro de muchos tipos de minerales diferentes.
Los silicatos son los minerales más comunes en la corteza terrestre y, por lo tanto, comprenden el tipo de mineral más comúnmente involucrado en reacciones mecanoquímicas naturales. Los silicatos están formados por átomos de silicio y oxígeno, normalmente dispuestos en tetraedros de silicio. Los procesos mecánicos rompen los enlaces entre los átomos de silicio y oxígeno. Si los enlaces se rompen mediante una escisión homolítica, se generan electrones desapareados:
≡Si–O–Si≡ → ≡Si–O• + ≡Si•
≡Si–O–O–Si≡ → ≡Si–O• + ≡Si–O•
≡Si–O–O–Si≡ → ≡Si–O–O• + ≡Si•
La reacción del agua con radicales de silicio puede generar radicales de hidrógeno: [5]
2≡Si• + 2H 2 O → 2≡Si–O–H + 2H•
2H• → H2
Este mecanismo puede generar H2 para sustentar los metanógenos en entornos con pocas otras fuentes de energía. Sin embargo, a temperaturas más altas (~>80 °C [6] ), los radicales de hidrógeno reaccionan con los radicales siloxilo, impidiendo la generación de H2 por este mecanismo: [4]
≡Si–O• + H• → ≡Si–O–H
2H• → H2
Cuando el oxígeno reacciona con el silicio o los radicales de oxígeno en la superficie de las rocas trituradas, puede adsorberse químicamente en la superficie:
≡Si• + O 2 → ≡Si–O–O•
≡Si–O• + O 2 → ≡Si–O–O–O•
Estos radicales de oxígeno pueden generar oxidantes como radicales hidroxilo y peróxido de hidrógeno: [19]
≡Si–O–O• + H 2 O → ≡Si–O–O–H + •OH
2·OH → H 2 O 2
Además, se pueden generar oxidantes en ausencia de oxígeno a altas temperaturas: [6]
≡Si–O• + H 2 O → ≡Si–O–H + •OH
2·OH → H 2 O 2
El H 2 O 2 se descompone naturalmente en el ambiente para formar agua y oxígeno gaseoso:
2H2O2 → 2H2O + O2
Se han revisado fundamentos y aplicaciones que van desde los nanomateriales hasta la tecnología. [20] Este enfoque se ha utilizado para sintetizar nanopartículas metálicas , catalizadores , imanes , γ-grafino , yodatos metálicos , polvos nanocompuestos de carburo de níquel-vanadio y carburo de molibdeno-vanadio. [21]
El molino de bolas se ha utilizado para separar los gases de hidrocarburos del petróleo crudo. El proceso utilizó entre el 1 y el 10% de la energía de la criogenia convencional. La absorción diferencial se ve afectada por la intensidad, la presión y la duración de la molienda. Los gases se recuperan mediante calentamiento, a una temperatura específica para cada tipo de gas. El proceso ha procesado con éxito gases alquinos , olefinas y parafinas utilizando polvo de nitruro de boro .
La mecanoquímica tiene potencial para el almacenamiento en estado sólido de hidrógeno, amoníaco y otros gases combustibles con eficiencia energética. El polvo resultante es más seguro que los métodos convencionales de compresión y licuefacción. [22]
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