Investigadores del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart han desarrollado un nuevo método para la degradación activa de contaminantes orgánicos en solución mediante el uso de micro motores de natación. Los microlimpiadores móviles constan de una plancha exterior y una capa interior de platino, combinando así dos funcionalidades. Peróxido de hidrógeno, que debe agregarse a la solución contaminada, actúa como combustible para los micromotores de platino y como reactivo para degradar los contaminantes orgánicos en la capa de hierro. No existen muchos métodos para limpiar con éxito las aguas residuales contaminadas. La reacción de Fenton, uno de los procesos de oxidación avanzada más populares para la degradación de contaminantes orgánicos, se basa en la corrosión ácida espontánea de la superficie del micromotor de hierro en presencia de peróxido de hidrógeno. Los científicos informan que la oxidación de contaminantes orgánicos lograda por un enjambre de estos microjets autopropulsados ​​es doce veces mayor que cuando se utilizan microtubos de hierro inmóviles.

Los métodos comunes de tratamiento de agua son ineficaces para eliminar la mayoría de los tipos de contaminantes orgánicos. Aceites minerales, pesticidas, disolventes orgánicos, las pinturas y los organoclorados no se pueden eliminar con cloruro, métodos de ozono o floculación que forman parte de los procedimientos habituales de procesamiento del agua. La reacción de Fenton, por otra parte, es muy eficaz para eliminar estos contaminantes. El término 'reacción de Fenton' se refiere al uso de una combinación de hierro y peróxido de hidrógeno para oxidar contaminantes orgánicos, degradándolos así a dióxido de carbono y agua. La reacción de múltiples etapas es catalizada por iones Fe (II). El grupo de Samuel Sánchez en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes ahora ha combinado lo mejor de dos mundos y ha creado un versión autopropulsada de este sistema de limpieza microscópico. Sus microchorros tienen un micromotor de platino interno alimentado por peróxido de hidrógeno y una capa de limpieza externa donde el peróxido de hidrógeno reacciona con contaminantes orgánicos en presencia de hierro. Los iones Fe (II) que se necesitan como catalizadores para la reacción de Fenton se forman cuando el hierro de la superficie exterior del tubo establece contacto con el agua.

Para producir sus sistemas de limpieza móviles, los investigadores utilizaron un método para enrollar películas delgadas de metal que se desarrolló hace solo unos años. Evaporaron una fina capa de hierro de 100-200 nanómetros sobre una superficie de vidrio recubierta con un patrón denso de cuadrados de laca alineados. En un segundo paso, los investigadores agregaron una capa de platino de solo un nanómetro de espesor, utilizando una técnica especial de pulverización catódica. Debido a las diferentes propiedades mecánicas de los metales, la doble capa comienza a enrollarse en forma de tubo una vez que se quita la capa de laca. "Esta técnica nos permite producir una gran cantidad de tubos multifuncionales", dice Samuel Sánchez, el jefe del Grupo de Investigación Max Planck en Stuttgart.

Las burbujas de oxígeno convierten los microtubos en un motor a reacción

La capa de platino funciona como motor, porque, muy parecido al hierro, cataliza una reacción química con el agente oxidante peróxido de hidrógeno. "El peróxido de hidrógeno actúa como combustible para nuestros submarinos en miniatura, "explica Luis Soler, un científico en el grupo de investigación. Cuando reaccionan el peróxido de hidrógeno y el platino, el platino actúa como catalizador para la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno, formando así pequeñas burbujas. A medida que se producen más y más burbujas, escapan del tubo. Inicialmente, diferentes cantidades de oxígeno salen a cada lado del tubo y el tubo es propulsado a chorro aleatoriamente. Tan pronto como el tubo haya alcanzado una cierta velocidad, aunque, todas las burbujas se escapan a un lado, y el tubo se empuja en la dirección opuesta a las burbujas que escapan, alimentando así más combustible en la parte delantera.

La idea inicial de revestir micro motores de platino con una capa de hierro cobró vida mientras los científicos pensaban en un problema completamente diferente. Las visiones típicas de las posibilidades tecnológicas de los futuros micro y nanomotores incluyen el transporte rápido de agentes farmacéuticos a áreas específicas como las células tumorales, por ejemplo. A la llegada, perforarían la membrana celular como una nanocánula e inyectarían el agente activo directamente en la célula objetivo. Sin embargo, un gran obstáculo permanece en el camino de lograr esta visión:el peróxido de hidrógeno, como todos los demás combustibles que se han desarrollado para estos motores, daña a los organismos vivos. Y aquí es donde entra la idea de una nueva aplicación:los científicos decidieron emplear sus micromotores en lugares donde el uso de peróxido de hidrógeno no es una desventaja, sino que tiene una función importante como co-reactivo.

Un remedio novedoso contra los residuos de pintura y los pesticidas

Debido a que la capa de hierro también es magnética, los tubos se pueden dirigir a contaminantes que son difíciles de alcanzar y se pueden recuperar una vez que se haya terminado su trabajo. Y, el peróxido de hidrógeno superfluo no afectará el procesamiento posterior del agua, porque es constante, pero lentamente degradado a agua y oxígeno por la luz solar.

Samuel Sánchez explica la motivación del grupo, "Queríamos construir micromotores que tuvieran una aplicación significativa". Luego señala:"La mayor limitación es que este tipo de remediación de agua solo funciona a pequeña escala, hasta ahora. Por lo tanto, el camino hacia la aplicación industrial es todavía largo y tortuoso ". esta nueva tecnología allana el camino hacia el uso de micromotores multifuncionales para aplicaciones ambientales. Luis Soler agrega, "Puedo imaginarme que algún día estos micromotores servirán con éxito para limpiar el agua de los residuos de pintura de la industria textil y los pesticidas de la agricultura".