Una vez que una fuente de agua está contaminada, puede ser costoso y difícil de remediar. Los remedios naturales pueden tardar cientos de años y aún no pueden eliminar con éxito todos los contaminantes peligrosos. Cuando se trata de problemas de salud pública mundial como este, la necesidad de soluciones nuevas y seguras es urgente. John Fortner está diseñando soluciones desde cero para hacer precisamente eso.

Fortner, profesor asociado de ingeniería química y ambiental, dirige uno de los pocos laboratorios en los EE. UU. que investiga la intersección entre la ciencia de los materiales y la ingeniería ambiental. Allí, los materiales sintetizados directamente en el laboratorio, ya sean nanopartículas magnéticas, compuestos a base de grafeno o catalizadores hipertérmicos, se diseñan cuidadosamente para tratar los contaminantes en las fuentes de agua.

Fortner siempre se ha sentido atraído por mejorar la salud pública a través de vías basadas en el medio ambiente. Inicialmente consideró una carrera en medicina cuando descubrió por primera vez el campo de la ingeniería ambiental.

"Tomé un curso de biorremediación y me fascinó la ingeniería de sistemas biológicos para descomponer los contaminantes in situ", dijo Fortner.

En ese momento, la investigación de ingeniería ambiental tradicional se enfocaba en el uso de microbios (organismos biológicos a escala microscópica) para degradar los contaminantes dentro de las corrientes de aguas residuales industriales. Después de tomar cursos que unieron su enfoque biológico con los sistemas de ingeniería aplicada, Fortner encontró su "ajuste" y pronto se cambió a la ingeniería ambiental.

Aunque omnipresente hoy en día, la investigación de nanomateriales es un campo relativamente nuevo. A finales del siglo XX, el desarrollo de tecnologías de imagen avanzadas permitió a los científicos estudiar nanomateriales por primera vez. En 1989, 15 años después de que se acuñara el término "nanociencia", la primera empresa de nanotecnología comenzó a comercializar nanoestructuras. En 2001, cuando Fortner ingresó a la escuela de posgrado, los nanomateriales se habían industrializado en informática e ingeniería biomédica.

En comparación con sus contrapartes más grandes, los nanomateriales tienen ventajas, como la capacidad de ajuste y/o la reactividad única, derivadas de sus tamaños increíblemente pequeños y propiedades novedosas. Como dice Fortner, "los nanomateriales tienen el potencial de hacer lo que los materiales tradicionales simplemente no pueden".

En 1985, los químicos de Rice descubrieron un nuevo alótropo de carbono, el buckminsterfullereno (denominados fullerenos o "bolas de bucky"), lo que los llevó a ganar el Premio Nobel de Química en 1996 y provocó un auge de la nanotecnología en Rice y más allá. A través de esto, el Centro de Nanotecnología Biológica y Ambiental, un centro de investigación financiado por la NSF, se fundó en Rice cuando Fortner comenzó sus estudios de posgrado. Allí, trabajó con colaboradores para comprender el comportamiento de los nanomateriales en el medio ambiente, con su Ph.D. tesis enfocada en fullerenos en sistemas naturales. En ese momento, se sabía muy poco sobre el asunto que condujo a varios descubrimientos interesantes que sustentan el campo emergente de la nanotecnología ambiental.

"En ese momento, había mucho que explorar", dijo Fortner. "Más allá de comprender el comportamiento fundamental de los nanomateriales en el medio ambiente, estaba claro que había oportunidades fantásticas para aplicar 'nano' a problemas ambientales críticos en la detección y el tratamiento (remediación de la contaminación)... para ayudar a que la vida de las personas sea más saludable a través de un medio ambiente mejor y más limpio. "

Poco después de graduarse, Fortner se unió a la facultad de la Universidad de Washington en St. Louis, donde estudió los mecanismos fundamentales involucrados en la síntesis y reactividad de las nanoestructuras. Estaba particularmente interesado en comprender cómo las nanopartículas degradan los contaminantes de manera diferente a los sistemas tradicionales y si las nanopartículas tienen aplicaciones más allá de la industria del agua.

Durante su tiempo en la Universidad de Washington, fue miembro del Centro Internacional de Energía, Medio Ambiente y Sostenibilidad, donde colaboró ​​con otros investigadores para desarrollar nanotecnologías para una variedad de aplicaciones, incluidas nuevas membranas de tratamiento de agua y tecnologías de detección.

"Fue un lugar maravilloso para comenzar una carrera de investigación independiente", dijo Fortner. "Desarrollé colaboraciones increíbles allí, lo que me llevó aún más al lado fundamental de la química y la ciencia de los materiales".

Fortner se unió a la facultad del Departamento de Ingeniería Química y Ambiental de Yale en 2019. En Fortner Lab, casi todo se crea desde cero:los investigadores diseñan y sintetizan nanopartículas, compuestos de múltiples componentes y recubrimientos funcionales asociados para abordar problemas ambientales relacionados con el agua.

Una de sus colaboraciones más recientes se centra en los contaminantes de perfluoroalquilo (PFAS), que son estructuras de carbono fluorado que se encuentran en numerosos productos de consumo, desde envoltorios de comida rápida hasta sartenes de teflón y espumas contra incendios. Debido a que estos productos se diseñaron para que no reaccionen a la mayoría de los productos químicos oa las altas temperaturas, los contaminantes de PFAS no se pueden tratar mediante procesos de tratamiento biológico convencionales. Para abordar estos "químicos eternos", el laboratorio de Fortner, en colaboración con Kurt Pennell de la Universidad de Brown y Natalie Capiro de la Universidad de Auburn, ha diseñado nanopartículas superparamagnéticas, que están especialmente recubiertas con adsorbentes. Descubrieron que cuando estas nanopartículas diseñadas se dispersan en una fuente contaminada, los contaminantes son atraídos por grupos funcionales específicos en la molécula. Las partículas, junto con los contaminantes, se pueden recolectar usando un campo magnético y se puede eliminar el PFAS concentrado. Esta estrategia permite gestionar grandes volúmenes de medios de una forma específica y eficiente desde el punto de vista energético.

"Es increíble", dijo Fortner. "Podemos absorber una cantidad significativa de PFAS en una partícula y simplemente usar un imán para eliminarlo. Es una buena forma de "pescar" para eliminar el PFAS u otros contaminantes de una fuente de agua contaminada".

En comparación con otros laboratorios de investigación de Yale, el Laboratorio Fortner es una fuerza pequeña pero poderosa. Actualmente seis Ph.D. los estudiantes son asesorados por Fortner, además de dos investigadores postdoctorales. El pequeño tamaño del grupo le permite trabajar individualmente con los estudiantes, lo que les permite apropiarse realmente de los proyectos de investigación. Susanna Maisto, Ph.D. de primer año en Ingeniería Ambiental. estudiante, describe al grupo de investigación como "apoyador, acogedor y colaborativo".

"El Dr. Fortner tiene un gran estilo de tutoría; siempre brinda el apoyo que necesita, pero nunca se excede". Dijo Maisto. "Él se registra a menudo para asegurarse de que estamos prosperando dentro y fuera del laboratorio". + Explora más

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