Los derrames de petróleo oceánico son difíciles de limpiar. Tiñen las plumas de un color sepia almibarado y los huevos de pescado bronceados con un tinte tóxico. Cuanto más turbulentas son las aguas, cuanto más se extiende la mancha, con gotitas de tinta que descienden a las profundidades saladas.

Ahora la tecnología puede tener éxito donde los voluntarios que trabajan arduamente han fracasado en el pasado. Investigadores del Instituto A * STAR de Bioingeniería y Nanotecnología (IBN) están utilizando la nanociencia para convertir un derrame de petróleo en una masa flotante de gelatina marrón que se puede recoger antes de que pueda ingresar a la cadena alimentaria.

"La nanociencia hace posible adaptar las estructuras esenciales de los materiales a escala nanométrica para lograr propiedades específicas, "dice el químico Yugen Zhang en IBN, que está desarrollando algunas de las tecnologías. "Las estructuras y materiales en el rango de tamaño nanométrico a menudo adquieren propiedades distintivas que no se ven en otros rangos de tamaño, "agrega Huaqiang Zeng, otro químico en IBN.

Gelatina resbaladiza

Hay muchos métodos para limpiar un derrame de petróleo, y ninguno es completamente efectivo. Fresco, la grasa espesa se puede incendiar o contener mediante barreras flotantes para que los skimmers la saquen. La mancha también puede endurecerse de manera ineficaz, absorbido desordenadamente, peligrosamente dispersos, o consumido lentamente por bacterias herbívoras. Todos estos son deficientes a gran escala, especialmente en aguas turbulentas.

Las moléculas orgánicas con capacidades gelificantes especiales ofrecen un alternativa simple y ecológica para limpiar el desorden. Zeng ha desarrollado varias de estas moléculas que convierten el petróleo crudo en gelatina en cuestión de minutos.

Para crear sus 'supergeladores', Zeng diseñó las moléculas para que se asocien entre sí sin formar enlaces físicos. Cuando se rocía sobre agua de mar contaminada, las moléculas se agrupan inmediatamente en largas fibras de entre 40 y 800 nanómetros de ancho. Estos hilos crean una red que atrapa el aceite intercalado en una mancha gigante que flota en la superficie del agua. La mugre se puede tamizar rápidamente fuera del océano. Posteriormente, el petróleo crudo valioso se puede recuperar mediante una técnica común empleada por las refinerías de petróleo llamada destilación fraccionada.

Zeng probó los supergeladores en cuatro tipos de petróleo crudo con diferentes densidades, viscosidades y niveles de azufre en un plato redondo pequeño. Los resultados fueron impresionantes. "Los supergeladores solidificaron tanto el petróleo crudo recién derramado como el crudo altamente degradado de 37 a 60 veces su propio peso, ", dice Zeng. Los materiales utilizados para producir estas moléculas orgánicas son baratos y no tóxicos, lo que los convierte en una solución comercialmente viable para la gestión de accidentes en el mar. Zeng espera trabajar con socios industriales para probar las nanomoléculas a una escala mucho mayor.

Agua insalubre

Los científicos de IBN también están utilizando nanociencia para eliminar la sal del agua de mar y los metales pesados ​​del agua contaminada.

Con la disminución de las reservas mundiales de agua dulce y subterránea, muchos países buscan la desalinización como una fuente viable de agua potable. Se espera que la desalinización cubra el 30% de la demanda de agua de Singapur para 2060. lo que supondrá triplicar la capacidad desaladora actual del país. Pero la desalinización exige un gran consumo de energía y ósmosis inversa, la tecnología convencional de la que depende, tiene un costo relativamente alto. La ósmosis inversa funciona mediante el uso de presiones extremas para exprimir las moléculas de agua a través de membranas muy unidas.

Una solución alternativa emergente imita la forma en que las proteínas incrustadas en las membranas celulares, conocidas como acuaporinas, canalizar el agua hacia adentro y hacia afuera. Algunos grupos de investigación incluso han creado membranas hechas de moléculas de lípidos grasos que pueden acomodar acuaporinas naturales. Zeng ha desarrollado un reemplazo más barato y resistente.

Sus bloques de construcción consisten en fideos helicoidales con extremos pegajosos que se conectan para formar espirales largas. Las moléculas de agua pueden fluir a través de las aberturas de 0.3 nanómetros en el centro de las espirales, pero todos los demás iones cargados positiva y negativamente que componen el agua salada son demasiado voluminosos para pasar. Estos incluyen sodio, potasio, calcio, magnesio, cloro y óxido de azufre. "En agua, todos estos iones están muy hidratados, unido a muchas moléculas de agua, lo que los hace demasiado grandes para pasar por los canales, "dice Zeng.

La tecnología podría generar ahorros globales de hasta US $ 5 mil millones al año, dice Zeng, pero solo después de varios años más de probar y ajustar la compatibilidad y estabilidad de la membrana lipídica con las nanoespirales. "Este es un enfoque importante en mi grupo en este momento, ", dice." Queremos hacer esto, para que podamos reducir el costo de la desalinización del agua a un nivel aceptable ".

Stick y antiadherente

Los nanomateriales también ofrecen un bajo costo, Una forma eficaz y sostenible de filtrar los metales tóxicos del agua potable.

Los niveles de metales pesados ​​en el agua potable están estrictamente regulados debido al daño severo que las sustancias pueden causar a la salud. incluso a concentraciones muy bajas. La Organización Mundial de la Salud requiere que los niveles de plomo, por ejemplo, permanecen por debajo de diez partes por mil millones (ppb). Tratar el agua de acuerdo con estos estándares es costoso y extremadamente difícil.

Zhang ha desarrollado una sustancia orgánica llena de poros que puede atrapar y eliminar metales tóxicos del agua a menos de una ppb. Cada poro tiene de diez a veinte nanómetros de ancho y está lleno de compuestos, conocidas como aminas que se adhieren a los metales.

Aprovechando el hecho de que las aminas pierden su control sobre los metales en condiciones ácidas, el recurso valioso y limitado puede ser recuperado por la industria, y los polímeros reutilizados.

El secreto del éxito de los polímeros de Zhang es la gran superficie cubierta por los poros, lo que se traduce en más oportunidades para interactuar y atrapar los metales. "Otros materiales tienen una superficie de unos 100 metros cuadrados por gramo, pero el nuestro es 1, 000 metros cuadrados por gramo, ", dice Zhang." Es 10 veces más alto ".

Zhang probó sus polímeros nanoporosos en agua contaminada con plomo. Roció una versión en polvo del polímero en un líquido ligeramente alcalino que contiene cerca de 100 ppb de plomo. En segundos, los niveles de plomo se redujeron a menos de 0,2 ppb. Se observaron resultados similares para el cadmio, cobre y paladio. El lavado de los polímeros en ácido liberó hasta el 93 por ciento del plomo.

Con muchas empresas interesadas en escalar estas tecnologías para aplicaciones del mundo real, No pasará mucho tiempo antes de que la nanociencia trate a la Tierra por sus muchas enfermedades.