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– La espirulina azul verdosa, cuya forma se asemeja a la bobina de un pequeño calentador de inmersión, es particularmente adecuada para la biotemplatación, ya que su estructura en espiral compacta contribuye al uso altamente eficiente de la luz solar.
Cortesía de EMPA de Andrea Six: Las algas verdiazules se encuentran entre las criaturas vivientes más antiguas de la Tierra y han perfeccionado el uso de la luz solar durante miles de millones de años. Los científicos de Empa ahora han equipado a estos humildes organismos unicelulares con recubrimientos semiconductores para crear miniplantas, que proporcionan biocombustibles y son fotocatalíticamente activas a la luz del sol. Y lo que es mejor: las reacciones químicas son circulares, forman un ciclo sofisticado de materias primas.
Se han estado moviendo en la «sopa primordial» de nuestro planeta durante más de dos mil millones de años y han estado ayudando a enriquecer la atmósfera de la Tierra con oxígeno desde entonces. Hoy en día, las algas verdiazules o, más científicamente, las cianobacterias son prácticamente omnipresentes: en las aguas, en la corteza de los árboles o en la cima de las montañas áridas. Han perfeccionado el uso eficiente de la luz solar para la fotosíntesis hasta el punto de que pueden sobrevivir incluso en cuevas oscuras. Los investigadores de Empa, dirigidos por Laetita Philippe, del laboratorio de «Mecánica de materiales y nanoestructuras» de Thun, utilizan ahora la tecnología de modelos biológicos para recubrir las poco exigentes algas azul verdosas del género Spirulina para que puedan utilizarse para producir biocombustibles y exhibir un efecto fotocatalítico.
Arquitectura perfecta
Para lograr un proceso altamente eficiente y al mismo tiempo sustentable, los investigadores utilizaron el método de bioplantillas, en el cual una arquitectura dada por la naturaleza sirve como modelo para la aplicación de nuevos recubrimientos superficiales. El alga azul verdosa Spirulina, cuya forma se asemeja a la bobina de un pequeño calentador de inmersión, fue especialmente adecuada para esto, ya que su estructura en espiral compacta contribuye a un uso altamente eficiente de la luz solar.
Los investigadores primero recubrieron las hebras en espiral de aproximadamente cuatro micrómetros de espesor con organismos unicelulares de espirulina conservados con una fina capa de níquel. Como la piel de una cebolla, aparecieron delicadas capas de óxido de zinc y nanopartículas de sulfuro de zinc. “Mientras que las algas verdiazules en forma de espiral funcionan como un andamio estructurante, el recubrimiento de níquel, al ser magnético, ofrece una excelente manera de recuperar las plantas diminutas”, dice Laetitia Philippe. El revestimiento posterior que contiene zinc tiene una actividad fotocatalítica impresionante. Esto se debe a que la combinación de dos compuestos de zinc conduce a un rendimiento prolongado de la reacción fotocatalítica.
Además, se puede utilizar una gama de longitudes de onda más amplia del espectro solar. “Con el óxido de zinc solo, solo podríamos usar la radiación ultravioleta del sol, por ejemplo, para la descomposición de contaminantes ambientales. Con la actividad fotocatalítica de las algas recubiertas, debería ser posible desarrollar un proceso sostenible, simple y económico para el tratamiento del agua ”, agrega Philippe. Desde 2015, la disponibilidad y la gestión sostenible del agua para todos ha sido parte de la Agenda de Sostenibilidad Global de las Naciones Unidas – ONU. En línea con este objetivo, el equipo de Empa buscó una tecnología que pudiera producir agua limpia en todo el mundo a partir de las plantas de purificación existentes. El objetivo principal era eliminar los microplásticos y los contaminantes orgánicos persistentes (COP) del agua, que los sistemas de tratamiento convencionales no eliminan. Luego, los investigadores desarrollaron un proceso basado en fotocatálisis que utiliza óxido y sulfuro de zinc, una reacción química que oxida y neutraliza los contaminantes cuando se expone a la luz. La combinación con nanopartículas de sulfuro de zinc también permite aprovechar no solo la radiación UV como fuente de energía, sino también la parte visible del espectro electromagnético.
Un nanofern ramificado
Los investigadores desarrollaron inicialmente el nuevo recubrimiento fotocatalítico basado en otras estructuras que se asemejan a los bosques de helechos microscópicos. “La arquitectura del helecho es otra forma de absorber la energía luminosa de la forma más eficiente posible”, explica Serrá. En experimentos de laboratorio con micro y nanoferns producidos artificialmente hechos de varios compuestos químicos, la estructura de la capa de cebolla de óxido de zinc, sulfuro de zinc y níquel demostró ser particularmente eficiente. Además, el proceso de bioplantilla de algas verdiazules fue diseñado para evitar el sombreado causado por las ramas individuales dentro de los microferneros, aumentando aún más la absorción de luz.
Otra ventaja: las algas verdiazules se multiplican virtualmente por sí mismas. Con solo agua, luz solar y fertilizantes, los organismos unicelulares crecen en grandes cantidades a un ritmo rápido. Y no solo consumen dióxido de carbono (CO 2) del medio ambiente y emiten oxígeno valioso como «gas residual»; el balance de CO 2 del método se puede mejorar agregando CO 2 adicional al cultivo de algas.
Ciclo sofisticado de materias primas
Sin embargo, una vez que los diminutos calentadores de inmersión se hayan puesto en funcionamiento y los contaminantes se hayan descompuesto en las aguas residuales, su tarea está lejos de terminar. Aunque los compuestos de zinc y níquel se pueden recuperar y reutilizar, las estructuras conservadas de la espirulina permanecen como mini centros. “Los biocombustibles se pueden producir a partir de biomasa”, dice Laetitia Philippe. Además de producir bioetanol y biodiesel, los restos de espirulina también se pueden procesar y quemar en pellets para la producción de energía. Y las cenizas pueden eventualmente usarse como fertilizante para el cultivo de nuevas algas verdeazuladas. El ciclo sofisticado de las materias primas se ha demostrado ahora en experimentos de laboratorio. Pero Laetitia Philippe confía en que los organismos unicelulares versátiles se pueden aplicar a mayor escala.
La docena sucia
El término «La Docena Sucia» representa doce toxinas ambientales que han sido prohibidas en todo el mundo desde 2001 por la llamada Convención de las Naciones Unidas sobre los COP. Entre la lista de productos químicos, que ya se ha ampliado, se encuentran plaguicidas e insecticidas como el DDT, productos químicos industriales y subproductos de los procesos de combustión. Son contaminantes orgánicos persistentes (COP) que se acumulan en el medio ambiente y en los organismos vivos y, por tanto, también en la cadena alimentaria. Se sospecha que causan cáncer, son mutagénicos y alteran el equilibrio hormonal de animales y humanos. Con el tratamiento de agua convencional, estos contaminantes difícilmente se pueden eliminar.
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