Este dispositivo nanoestructurado, aproximadamente la mitad del tamaño de un sello postal, utiliza la luz del sol para desinfectar rápidamente el agua. Consiste en escamas delgadas de bisulfuro de molibdeno dispuestas como paredes sobre una superficie de vidrio y cubiertas con una fina capa de cobre. La luz que cae sobre las paredes desencadena la formación de peróxido de hidrógeno (H2O2) y otras "especies reactivas de oxígeno" que matan las bacterias. Crédito:C. Liu et al., Nanotecnología de la naturaleza
En muchas partes del mundo, la única forma de hacer que el agua con gérmenes sea segura es hirviéndola, que consume combustible precioso, o poniéndolo al sol en una botella de plástico para que los rayos ultravioleta maten a los microbios. Pero debido a que los rayos ultravioleta transportan solo el 4 por ciento de la energía total del sol, el método UV tarda de seis a 48 horas, limitando la cantidad de agua que las personas pueden desinfectar de esta manera.
Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han creado un dispositivo nanoestructurado, aproximadamente la mitad del tamaño de un sello postal, que desinfecta el agua mucho más rápido que el método UV al hacer uso también de la parte visible del espectro solar, que contiene el 50 por ciento de la energía solar.
En experimentos informados hoy en Nanotecnología de la naturaleza , la luz del sol que caía sobre el pequeño dispositivo desencadenó la formación de peróxido de hidrógeno y otros productos químicos desinfectantes que mataron a más del 99,999 por ciento de las bacterias en solo 20 minutos. Cuando terminaron su trabajo, los químicos asesinos se disiparon rápidamente, dejando atrás agua pura.
"Nuestro dispositivo parece un pequeño rectángulo de vidrio negro. Simplemente lo dejamos caer al agua y lo pusimos todo bajo el sol, y el sol hizo todo el trabajo, "dijo Chong Liu, autor principal del informe. Es investigadora postdoctoral en el laboratorio de Yi Cui, un profesor asociado e investigador de SLAC / Stanford con SIMES, el Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía en SLAC.
Paredes de nanoflacas y electrones ansiosos
Bajo un microscopio electrónico, la superficie del dispositivo parece una huella dactilar, con muchas líneas poco espaciadas. Esas líneas son películas muy delgadas, los investigadores las llaman "nanoflakes", de disulfuro de molibdeno que se apilan en los bordes. como las paredes de un laberinto, encima de un rectángulo de vidrio.
Una micrografía electrónica muestra el patrón de paredes nanoestructuradas en la superficie del dispositivo. Se dejó caer en una muestra de agua contaminada y se colocó a la luz del sol, mató a más del 99,999 por ciento de las bacterias en solo 20 minutos. Crédito:C. Liu et al., Nanotecnología de la naturaleza
En la vida ordinaria El disulfuro de molibdeno es un lubricante industrial. Pero como muchos materiales, adquiere propiedades completamente diferentes cuando se fabrica en capas de unos pocos átomos de espesor. En este caso se convierte en un fotocatalizador:cuando lo golpea la luz entrante, muchos de sus electrones abandonan sus lugares habituales, y tanto los electrones como los "huecos" que dejan atrás están ansiosos por participar en reacciones químicas.
Al hacer que sus paredes de bisulfuro de molibdeno tengan el espesor justo, los científicos consiguieron que absorbieran toda la gama de luz solar visible. Y cubriendo cada pequeña pared con una fina capa de cobre, que también actúa como catalizador, pudieron usar esa luz solar para desencadenar exactamente las reacciones que querían:reacciones que producen "especies reactivas de oxígeno" como el peróxido de hidrógeno, un desinfectante de uso común, que matan las bacterias en el agua circundante.
El disulfuro de molibdeno es barato y fácil de fabricar, una consideración importante al fabricar dispositivos para uso generalizado en países en desarrollo. Dijo Cui. También absorbe una gama mucho más amplia de longitudes de onda solares que los fotocatalizadores tradicionales.
Solución de problemas de contaminación
El método no es una panacea; por ejemplo, no elimina los contaminantes químicos del agua. Hasta ahora se ha probado solo en tres cepas de bacterias, aunque no hay razón para pensar que no mataría otras cepas bacterianas y otros tipos de microbios, como virus. Y solo se ha probado con bacterias mezcladas con agua en el laboratorio, no en los complejos guisos de contaminantes que se encuentran en el mundo real.
Todavía, "Es muy emocionante ver que con solo diseñar un material se puede lograr un buen rendimiento. Realmente funciona, "dijo Liu, quien ha trabajado en un proyecto en el laboratorio de Cui que está desarrollando filtros de aire para combatir el smog. "Nuestra intención es resolver los problemas de contaminación ambiental para que la gente pueda vivir mejor".
