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Un grupo de investigadores del Instituto Skolkovo de Ciencia y Tecnología (Skoltech), en Rusia, acaba de dar con más de 200 compuestos formados exclusivamente por carbono y oxígeno.
Entre ellos, al menos 32 muestran un potencial energético tan alto que podrían compararse con el mismísimo TNT. Según el estudio publicado en Materials Today Energy, algunos de estos compuestos liberan hasta un 81 % de la energía del TNT al descomponerse, lo que marca un hito en el desarrollo de materiales energéticos alternativos.
Cuando pensamos en moléculas formadas por carbono y oxígeno, probablemente solo se nos ocurran el dióxido de carbono (CO₂) y el monóxido de carbono (CO). Sin embargo, la química tiene mucho más que ofrecer. El nuevo estudio ha explorado un abanico de combinaciones posibles de átomos de carbono y oxígeno, dentro de un rango de entre 0 y 16 átomos de cada elemento. El resultado ha sido la identificación de 224 compuestos distintos, muchos de los cuales jamás habían sido descritos en la literatura científica.
La mayoría de estos compuestos pertenecen a una familia conocida como oxocarbonos. Aunque algunos ya eran conocidos, como el anhídrido melítico (C₁₂O₉), la gran mayoría eran completamente nuevos. El hallazgo se logró gracias al uso del algoritmo evolutivo USPEX, una herramienta de predicción de estructuras que permitió a los autores identificar los compuestos más estables y con mayor densidad energética. Esto permitió predecir, por primera vez, qué combinaciones son más probables en la naturaleza o en condiciones experimentales.
Uno de los conceptos clave introducidos por el estudio es el de "moleculas mágicas", un término que proviene de la física nuclear y que hace referencia a configuraciones especialmente estables. En lugar de centrarse solo en la energía absoluta de una molécula, los autores evaluaron su estabilidad comparativa frente a otras moléculas similares con un átomo más o menos de carbono u oxígeno. Si una configuración resulta más favorable energéticamente que sus vecinas, se considera mágica.
En palabras del artículo original: “Aplicamos el concepto de ´magia´ que resultó útil en estudios previos de nanoclústeres y moléculas. Estas moléculas son las más probables de aparecer en reacciones químicas y de encontrarse en la naturaleza”. Este enfoque permitió identificar no solo las moléculas más estables, sino también aquellas con mayor capacidad de liberar energía al descomponerse, un criterio fundamental en el desarrollo de materiales explosivos o propulsores de cohetes.
El estudio reveló que varias de estas moléculas tienen una estructura que las hace altamente energéticas. Algunas de ellas, como C₄O₉, pueden liberar hasta el 81 % de la energía del TNT, lo cual es impresionante considerando que no contienen nitrógeno, el principal componente de la mayoría de los explosivos actuales. Según los autores, esto se debe a la fuerza de los enlaces C=O, que liberan grandes cantidades de energía cuando la molécula se reorganiza hacia formas más estables como CO₂.
En la mayoría de los explosivos convencionales, el nitrógeno es esencial porque, al reaccionar, forma moléculas muy estables de N₂. Esto libera una gran cantidad de energía. Pero lo que han demostrado los investigadores de Skoltech es que no es necesario contar con nitrógeno para alcanzar niveles de energía comparables. En su lugar, se aprovechan los enlaces dobles entre carbono y oxígeno, que también tienen una gran fuerza energética.
Tal como se indica en el paper: “El conocimiento de las energías de las moléculas en todo el área composicional permite estimar la energía liberada durante la descomposición de cada molécula”. Esta estrategia llevó a identificar múltiples compuestos capaces de liberar una gran cantidad de energía en procesos similares a una detonación. Entre ellos destacan los que tienen una relación oxígeno/carbono cercana a 2, como C₄O₈ y C₆O₁₂.
La implicación práctica de esto es enorme: se abre la posibilidad de desarrollar explosivos más limpios, ligeros y potencialmente más seguros, ya que no liberan óxidos de nitrógeno contaminantes. Además, al depender de elementos comunes como el carbono y el oxígeno, se facilita su producción y transporte. Esta clase de compuestos también podría tener usos en tecnología aeroespacial, como en sistemas de propulsión avanzada.
Pero no todo es explosión. Algunas de estas moléculas también tienen características que las hacen ideales para otras aplicaciones energéticas, como materiales para baterías de iones de litio. Gracias a su estructura rica en enlaces C=O, varias de ellas pueden funcionar como electrodos altamente reactivos. Esto las convierte en candidatas para el desarrollo de baterías más potentes y duraderas.
También se ha señalado que los oxocarbonos podrían desempeñar un papel importante en la química atmosférica y la astrofísica. Se sabe que el monóxido de carbono está presente en numerosos entornos astronómicos, incluidos cometas y galaxias con baja presencia de metales. De hecho, los autores mencionan que estas moléculas podrían existir en la atmósfera de planetas lejanos o en las regiones frías del espacio interestelar.
Por último, algunos de los compuestos descubiertos podrían ser clave para entender mejor los procesos de combustión en hidrocarburos comunes como el queroseno, el etanol o el éter dimetílico. Comprender cómo se forman y descomponen estas moléculas permitiría diseñar sistemas de combustión más eficientes y menos contaminantes.
Aunque el estudio se basa principalmente en simulaciones computacionales, sus predicciones ofrecen una hoja de ruta clara para experimentos futuros. Los autores señalan que algunas de las moléculas identificadas podrían sintetizarse bajo ciertas condiciones de laboratorio. De hecho, algunos compuestos similares ya han sido producidos anteriormente mediante descargas eléctricas o procesos de deshidratación.
El próximo paso será validar estas estructuras mediante experimentación y evaluar su comportamiento en condiciones reales. Esto implicará estudiar su estabilidad, su facilidad de síntesis y sus posibles riesgos. Pero si los resultados del modelo se confirman, estaremos ante un nuevo paradigma en la química de materiales energéticos, uno que podría reemplazar tecnologías que llevamos usando más de un siglo.
Más allá del impacto técnico, este hallazgo representa un recordatorio de cuántos territorios inexplorados quedan en la química más básica. El simple acto de combinar carbono y oxígeno, con ayuda de potentes algoritmos, ha revelado un paisaje molecular inesperado, lleno de posibilidades para la ciencia y la tecnología del futuro.
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