Purificando el agua con el poder del sol

Nov 07, 2023

Publicado: 17 de marzo de 2023

Autor: Brett Beasley

"Hoy, los grandes desafíos son la tecnología de la información y la energía", dice László Forró, profesor de Física de Materia Cuántica Compleja Aurora and Thomas Marquez en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Notre Dame, "pero mañana, el gran desafío será agua."

La Organización Mundial de la Salud informa que hoy en día casi dos mil millones de personas consumen regularmente agua contaminada. Estima que para 2025 la mitad de la población mundial podría enfrentar escasez de agua. Muchos de los afectados se encuentran en áreas rurales que carecen de la infraestructura necesaria para operar purificadores de agua modernos, mientras que muchos otros se encuentran en áreas afectadas por la guerra, los desastres naturales o la contaminación. Existe una mayor necesidad que nunca de formas innovadoras de extender el acceso al agua a quienes viven sin redes de energía, saneamiento y transporte.

Recientemente, el laboratorio de Forró desarrolló una solución de este tipo. Crearon un purificador de agua, descrito en la revista asociada a Nature, Clean Water, que funciona con un recurso al que casi todas las personas más vulnerables del mundo tienen acceso: el sol.

El componente clave en el sistema de Forró es el dióxido de titanio. El dióxido de titanio es un material fácilmente disponible conocido por sus propiedades de dispersión de la luz. En una forma, es un pigmento que le da a algunas pinturas y pastas dentales su distintivo color "blanco titanio". También sirve como ingrediente activo en protectores solares, absorbiendo la luz antes de que llegue a la piel.

El dióxido de titanio también puede reaccionar a la luz de otra manera: produciendo formas de oxígeno altamente reactivas llamadas "radicales libres". Estos radicales libres son capaces de destruir los parásitos, bacterias y virus que se encuentran en el agua contaminada.

Forró y sus colegas se dieron cuenta de que si podían producir una cantidad lo suficientemente grande de dióxido de titanio en forma de nanocables, podrían encontrar una manera de usarlo para purificar el agua. Los nanocables tenían unos 10 nanómetros de ancho, alrededor de una 6.000 del ancho de un cabello humano. El problema era que la mayoría de los laboratorios solo podían crear unos pocos gramos de nanocables a la vez. Sin embargo, Forró y Endre Horváth, un químico, fueron pioneros en un nuevo proceso que generó nanocables de dióxido de titanio en gran cantidad. El nuevo proceso tuvo un beneficio importante. Podría producir un kilogramo (más de dos libras) de nanocables a la vez.

Con mayores cantidades de nanocables de dióxido de titanio a su disposición, Forró y sus colegas pudieron formar nuevos materiales compuestos. Mezclaron los nanocables con nanotubos de carbono en suspensión para formar una especie de malla. Drenaron la malla y la adelgazaron con una cuchilla hasta que quedó más delgada que una hoja de papel de fotocopiadora. Luego calentaron el material hasta que sus componentes se fusionaron para formar una membrana que podrían usar como filtro.

Para construir un sistema de purificación, el equipo de Forró colocó el filtro entre paneles de vidrio y creó una entrada en la parte superior de un extremo y una salida en la parte inferior del extremo opuesto. Especularon que el agua que fluye hacia el dispositivo se purificaría mediante tres procesos distintos que se ejecutan en paralelo entre sí. Uno es la filtración mecánica. El material del filtro bloquearía el paso de partículas más grandes a través del papel. Al mismo tiempo, la luz del sol interactuaría con el dióxido de titanio para producir radicales libres y destruir cualquier microbio presente en el agua. Simultáneamente, la luz del sol calentaría el papel de filtro y el agua circundante, pasteurizándolos y asegurando aún más la destrucción de cualquier microorganismo dañino. Entonces el agua purificada podría salir del dispositivo lista para su consumo.

Con su prototipo completamente ensamblado, Forró y sus colegas pudieron someterlo a una serie de pruebas. Una prueba involucró agua de un río cercano. Analizaron el agua en busca de E. coli antes y después de la filtración y descubrieron que el dispositivo era capaz de erradicar por completo cualquier E. coli del agua. También probaron el dispositivo con agua mezclada con un "cóctel" de nueve contaminantes diferentes. Estos incluían residuos de medicamentos, pesticidas, productos de mantenimiento, hormonas y cosméticos. Descubrieron que el proceso de saneamiento de tres partes del filtro eliminó porciones significativas incluso de estas moléculas contaminantes del agua.

Si bien el trabajo inicial de Forró en su sistema de filtración comenzó en su institución anterior, el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Lausana, continúa desarrollándolo y perfeccionándolo en su nuevo cargo como director inaugural del Centro Stavropoulos para Materia Cuántica Compleja en Notre Dame. . Trabajando con químicos, está desarrollando procesos más avanzados para crear nanocables y está trabajando con el Centro IDEA en Notre Dame para explorar posibles aplicaciones comerciales. También está explorando modificaciones que harían que el filtro fuera más eficiente.

"Ahora un dispositivo puede desinfectar dos litros de agua al día", dice. "Eso es suficiente para el agua potable de una persona, pero ¿qué pasa con otras personas y otros usos como cocinar y lavar? Creemos que los filtros más grandes y las aplicaciones a mayor escala agregarán mayores beneficios".

Forró dice que la lección que espera que otros investigadores saquen de su experiencia en el desarrollo del dispositivo tiene que ver con el valor de pensar de nuevas formas a través de los límites disciplinarios tradicionales.

“Este trabajo incluye avances en física”, explica Forró. "Tenemos que entender las propiedades de los nanocables de dióxido de titanio a un nivel fundamental. Pero también está la ciencia de los materiales: ¿cómo podemos convertirlos en filtros y cuál es la mejor manera de procesarlos? Y están la biología y la bioquímica. Se producen avances cuando trabajamos en distintas especialidades y aprendemos el vocabulario de los demás".

Forró ofrece como ejemplo su colaboración con un biólogo que estaba examinando los microtúbulos de polímeros de proteínas que juegan un papel importante en la división celular. Forró tenía la técnica, que había elaborado midiendo nanotubos de carbono, y el biólogo tenía el conocimiento de cómo hacer microtúbulos en el laboratorio. Tomó tiempo, pero finalmente publicaron un trabajo seminal sobre las complejidades y propiedades mecánicas de los microtúbulos.

Para Forró, trabajar de forma amplia e interdisciplinar también significa estar atento a los grandes problemas del mundo y poner la ciencia al servicio de la sociedad.

"Este es un ejemplo de un avance en la ciencia básica que también tiene una aplicación práctica", dice. "No es ciencia por el bien de la ciencia. Es ciencia que está comprometida con la sociedad, y eso es algo que continúa guiando todo nuestro trabajo en el futuro".

El trabajo en curso de Forró para desarrollar su dispositivo solar de purificación de agua cuenta con el apoyo del Centro de Materia Cuántica Compleja de Stavropoulos.

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