(PhysOrg.com) - Los ingenieros utilizan técnicas de imágenes avanzadas para examinar materiales bimetálicos que han reparado más de 50 sitios de desechos tóxicos.

Nanopartículas de hierro 1, 000 veces más delgado que un cabello humano han demostrado una capacidad sin precedentes para limpiar el agua subterránea contaminada desde que se inventaron hace 10 años en Lehigh.

Las partículas recubiertas de paladio han remediado más de 50 sitios de desechos tóxicos en los EE. UU. Y otros países en una décima parte del tiempo. y a una economía de escala mucho mayor, que los métodos tradicionales de "extraer y tratar".

Ahora, gracias a las incomparables instalaciones de espectroscopía y microscopía electrónica de Lehigh, Los investigadores han obtenido conocimientos inigualables que podrían mejorar la eficiencia y ampliar las aplicaciones de las poderosas nanopartículas.

Los investigadores utilizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) y espectroscopía dispersiva de energía de rayos X (XEDS) para capturar, por primera vez, la evolución en la nanoestructura de las partículas bimetálicas a medida que eliminan los contaminantes del agua.

Los instrumentos de imágenes avanzados en Lehigh capturaron detalles asombrosos de las reacciones dentro de las nanopartículas. Como reaccionan con contaminantes como el tricloroeteno (TCE), un solvente industrial tóxico, las nanopartículas muestran enormes cambios estructurales. El núcleo de partículas se ahueca, el hierro se difunde hacia afuera, y el paladio, un catalizador que constituye el 1 por ciento de la masa de partículas, migra desde la superficie exterior a la superficie interior de la plancha.

Escribiendo a principios de este mes en Ciencia y Tecnología Ambiental ( EST ), la principal revista en su campo, Los investigadores de Lehigh informaron que la capacidad de las nanopartículas para eliminar toxinas disminuye a medida que las partículas "envejecen" y experimentan cambios estructurales con la exposición al agua.

Sus resultados, ellos escribieron, sugieren que la edad y el entorno de almacenamiento de las nanopartículas desempeñan un papel fundamental a la hora de influir en su eficacia como agentes de remediación.

Diminuto pero poderoso

El artículo de ES&T, titulado “Evolución estructural del hierro cero-Valent a nanoescala dopado con Pd (nZVI) en medios acuosos e implicaciones para el envejecimiento y la reactividad de las partículas, ”Fue escrito por Weile Yan, un doctorado candidato en ingeniería civil y ambiental, con Andrew Herzing '07 Ph.D., un ingeniero de investigación de materiales del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología; Xiao-Qin Li, quien recibió un Ph.D. en ingeniería civil y ambiental en 2008; Christopher Kiely, profesor de ciencia e ingeniería de materiales; y Wei-xian Zhang, profesor de ingeniería civil y ambiental.

Las nanopartículas, que fueron inventados por Zhang, un promedio de 50 nanómetros de diámetro (1 nm equivale a una mil millonésima parte de un metro). Las islas de paladio en la superficie exterior del hierro miden de 2 a 5 nm de diámetro. Las partículas han eliminado los pesticidas. cloruro de vinilo, TCE y otros contaminantes en 10 estados y en Europa y Asia. Los sitios tratados incluyen vertederos, una planta de fabricación de productos electrónicos, plantas químicas e instalaciones militares.

Cuando se inyecta en el agua subterránea, las nanopartículas fluyen con el agua y reaccionan con los contaminantes y los desintoxican. Su pequeño tamaño y mayor área de superficie proporcional les da más reactividad con toxinas que cantidades mayores del mismo catalizador.

Esta reactividad superior, dice Harch Gill, presidente de Lehigh Nanotech LLC, una empresa de Belén que posee los derechos comerciales de las partículas, permite que las partículas remedian un sitio tóxico en menos de un año, en comparación con los 10 a 20 años que requieren los métodos de bombeo y tratamiento.

Y según la Asociación de Directores de Tecnología Universitaria, que nombró a Lehigh Nanotech una de las 25 principales historias de colaboración tecnológica en 2008, "Solo se necesitan seis onzas de diminutos nanomateriales, versus una tonelada de compuestos más grandes, para realizar cambios radicales en la limpieza de entornos contaminados ".

Como resultado, dice Zhang, las nanopartículas son ahora uno de los nanomateriales más utilizados en el mundo.

Un nuevo enfoque

Yan que ha estudiado las nanopartículas desde 2007, dice que los resultados experimentales ayudarán a los investigadores a desarrollar mejores métodos para manipular y almacenar las partículas, y de recolectar y reutilizar el paladio después de neutralizar los contaminantes. Paladio, utilizado en convertidores catalíticos, dispositivos electrónicos y pilas de combustible, es un metal raro y a menudo caro.

Los resultados también se pueden utilizar para mejorar la capacidad de las nanopartículas a base de hierro para capturar y eliminar toxinas de metales pesados ​​de sitios contaminados. dice Yan.

"Este documento es solo un punto de partida, " ella dice. "Con el mismo conjunto de herramientas, podemos estudiar especies de metales y nZVI para aprender cómo los metales pesados ​​son capturados por nZVI, dónde interactúan y dónde está el destino final de los metales pesados ​​dentro del nZVI ".

La investigación del grupo, dice Yan, Fue posible gracias al hecho de que Lehigh tiene el laboratorio de microscopía electrónica más grande de los EE. UU. El STEM con corrección de aberraciones utilizado por el equipo de Yan resuelve imágenes a 0,1 nm mientras identifica la composición química en este diminuto "píxel" de una muestra. Combinado con XEDS, permitió a los investigadores mapear la superficie y el interior de la nanopartícula de hierro, localizar las islas de paladio, y rastrear la infiltración del paladio al interior de la partícula. El grupo también utilizó espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) para examinar los cambios en las propiedades químicas de las nanopartículas.

Los instrumentos permitieron al grupo adoptar un enfoque novedoso de su investigación, dice Yan.

“La forma tradicional de hacer investigación ambiental es examinar los contaminantes en el agua para asegurarse de que se eliminen, " ella dijo. "Estamos adoptando un enfoque diferente al observar el interior del agente de tratamiento para ver qué le sucede y cómo se lleva a cabo realmente la remediación".

Yan hará una presentación sobre la investigación del grupo a la División de Química Ambiental de la Sociedad Química Estadounidense en la conferencia anual de ACS en agosto en Boston.