Jardín químico

Un jardín químico es un conjunto de estructuras complejas de apariencia biológica creadas mediante la mezcla de sustancias químicas inorgánicas. Este experimento químico se realiza generalmente añadiendo sales metálicas , como sulfato de cobre o cloruro de cobalto(II) , a una solución acuosa de silicato de sodio (también conocido como vidrio soluble). Esto da como resultado el crecimiento de formas similares a plantas en cuestión de minutos u horas. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

El jardín químico fue observado y descrito por primera vez por Johann Rudolf Glauber en 1646. ^{[ 5 ]} En su forma original, el jardín químico implicaba la introducción de cristales de cloruro ferroso (FeCl ₂ ) en una solución de silicato de potasio (K ₂ SiO ₃ ).

Los jardines químicos reciben su nombre por su apariencia y crecimiento similares a los de las plantas. El estudio de estas estructuras y sistemas autoorganizados relacionados se conoce como " quimiobriónica" , un campo interdisciplinario emergente que integra conceptos de física, química, ciencia de los materiales, biología y ciencia de sistemas complejos para investigar la formación de patrones impulsada por reacción-difusión. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} El término quimiobriónica deriva de "quimio" y la palabra griega bruein ("crecer o agrandar"), en referencia al crecimiento impulsado osmóticamente de los jardines químicos y sistemas inorgánicos autoorganizados relacionados. ^{[ 9 ]}

El jardín químico se basa en que la mayoría de los silicatos de metales de transición son insolubles en agua y tienen color.

Cuando se añade una sal metálica, como el cloruro de cobalto , a una solución de silicato de sodio, esta comienza a disolverse. Posteriormente, mediante una reacción de doble desplazamiento , forma silicato de cobalto insoluble . Este silicato de cobalto constituye una membrana semipermeable . Debido a que la fuerza iónica de la solución de cobalto dentro de la membrana es mayor que la de la solución de silicato de sodio, que constituye la mayor parte del contenido del tanque, los efectos osmóticos aumentan la presión dentro de la membrana. Esto provoca que la membrana se rompa, formando un orificio. Los cationes de cobalto reaccionan con los aniones de silicato en este orificio para formar un nuevo sólido. De esta manera, se forman crecimientos en los tanques; estos tendrán color (según el catión metálico) y pueden tener la apariencia de estructuras vegetales. El crecimiento de los jardines químicos se rige por el efecto combinado de la presión osmótica y la convección impulsada por la flotabilidad. La presión osmótica a través de la membrana semipermeable aumenta la presión interna hasta que la membrana se rompe, mientras que el flujo impulsado por flotabilidad promueve el crecimiento ascendente de las estructuras tubulares. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

La dirección ascendente habitual del crecimiento depende de que la densidad del fluido dentro de la membrana semipermeable de la "planta" sea menor que la de la solución de silicato de sodio circundante. Si se utiliza una sal metálica que produce un fluido muy denso dentro de la membrana, el crecimiento es descendente. Por ejemplo, una solución verde de sulfato o cloruro de cromo trivalente no cristaliza sin transformarse lentamente en la forma violeta , incluso si se hierve hasta que se concentra en una masa alquitranada. Ese alquitrán, si se suspende en la solución de silicato de sodio, forma crecimientos descendentes similares a ramitas. Esto se debe a que todo el fluido dentro de la membrana es demasiado denso para flotar y, por lo tanto, ejerce una fuerza hacia abajo. La concentración de silicato de sodio se vuelve importante en la tasa de crecimiento.

Una vez que cesa el crecimiento, la solución de silicato de sodio se puede eliminar añadiendo agua de forma continua y a un ritmo muy lento. Esto prolonga la vida del jardín. ^{[ 13 ]}

En una variante experimental específica, los investigadores produjeron el jardín químico con un único "tubo" de crecimiento. ^{[ 14 ]}

En muchos experimentos modernos de cultivo químico en jardines, la semilla reactiva sólida se reemplaza por la inyección continua de la solución reactiva correspondiente a un caudal controlado o, más recientemente, bajo presión osmótica controlada. ^{[ 15 ]}

Las sales comunes utilizadas en un jardín químico incluyen: ^{[ 16 ]}

• Sulfato de aluminio y potasio : Blanco
• Sulfato de cobre(II) : Azul
• Cloruro de cromo(III) : Verde
• Sulfato de níquel(II) : Verde
• Sulfato de hierro(II) : Verde
• Cloruro de hierro(III) : Naranja
• Cloruro de cobalto(II) : Púrpura
• Cloruro de calcio : Blanco
• Sulfato de zinc : Blanco
• Nitrato de plata : Blanco
• Cloruro de manganeso(II) : Rosa

Los jardines químicos pueden prepararse utilizando diversas técnicas experimentales. Además del método clásico y versátil de crecimiento de semillas, los científicos han desarrollado el crecimiento en geles, técnicas de inyección, sistemas basados ​​en membranas, celdas Hele-Shaw cuasi bidimensionales, experimentos bajo campos magnéticos y condiciones de microgravedad, ^{[ 17 ]} crecimiento bajo microscopio electrónico de barrido ambiental ^{[ 18 ]} para investigar los mecanismos del crecimiento mineral autoorganizado. ^{[ 1 ]}

Aunque al principio el jardín químico pueda parecer principalmente un juguete, se han realizado trabajos serios sobre el tema. ^{[ 3 ]} Por ejemplo, esta química está relacionada con el fraguado del cemento Portland , la formación de chimeneas hidrotermales y durante la corrosión de superficies de acero en las que se pueden formar tubos insolubles.

La naturaleza del crecimiento de los tubos de silicato insolubles formados dentro de jardines químicos también es útil para comprender clases de comportamientos relacionados que se observan en fluidos separados por membranas. De diversas maneras, el crecimiento de los tubos de silicato se asemeja al crecimiento de espículas o gotas de hielo extruidas sobre la superficie congelada del agua estancada, ^{[ 19 ]} los patrones de crecimiento de la goma que se seca al gotear de heridas en árboles como el eucalipto , y la forma en que la cera fundida forma crecimientos similares a ramitas, ya sea goteando de una vela o flotando a través del agua fría. Los principios fundamentales que rigen su autoensamblaje y la dinámica de las membranas se han aprovechado ampliamente en múltiples disciplinas científicas, incluyendo la biomedicina (por ejemplo, la ingeniería de andamios celulares y materiales sustitutos óseos) y la astrobiología (por ejemplo, la modelización de la compartimentación prebiótica y el surgimiento de la vida en entornos de ventilación hidrotermal). ^{[ 20 ]}

Los materiales quimiobriónicos también se han investigado como capas activas en dispositivos memristivos para computación neuromórfica. Se ha demostrado que los jardines químicos basados ​​en silicato de cobre exhiben un comportamiento de conmutación resistiva y funciones sinápticas, incluyendo facilitación de pulsos pareados y potenciación/depresión, operando con bajo consumo de energía mediante métodos de fabricación en solución. Esto amplía el potencial de aplicaciones de las estructuras fuera del equilibrio. ^{[ 21 ]}

Si las condiciones son favorables, los jardines químicos también pueden aparecer en la naturaleza. Existen evidencias paleontológicas de que estos jardines químicos pueden fosilizarse . Dichos pseudofósiles pueden ser muy difíciles de distinguir de los organismos fosilizados. De hecho, algunos de los primeros supuestos fósiles de vida podrían ser jardines químicos fosilizados. ^{[ 22 ]}

La mezcla de partículas ricas en hierro con líquidos alcalinos que contienen los compuestos químicos silicato o carbonato ha creado estructuras de aspecto biológico. Dichas estructuras pueden parecer biológicas y/o fósiles . ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} Según los investigadores, «Las reacciones químicas como estas se han estudiado durante cientos de años, pero no se había demostrado previamente que imitaran estas diminutas estructuras ricas en hierro dentro de las rocas. Estos resultados exigen una reevaluación de muchos ejemplos antiguos del mundo real para determinar si es más probable que sean fósiles o depósitos minerales no biológicos». ^{[ 23 ] [ 24 ]}

Una aplicación del estudio de la jardinería química es poder distinguir mejor las estructuras biológicas, incluidos los fósiles , de las estructuras no biológicas en el planeta Marte . ^{[ 23 ] [ 24 ]}

• Mercurio latiendo corazón
• Reacción de perro ladrando

• El Jardín Químico en la Tabla Periódica de Vídeos (Universidad de Nottingham)
• Jardines químicos (jardín coloidal) en ( http://chemistry-chemists.com )
• Chemobrionics (Acción COST que vincula a grupos de investigación europeos para estimular la investigación científica interdisciplinaria innovadora y de alto impacto sobre jardines químicos)
• Base de datos de quimiobriónica