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– A espirulina azul-esverdeada, cuja forma lembra a bobina de um minúsculo aquecedor de imersão, é particularmente adequada para a biotemplatação, pois sua estrutura espiral compacta contribui para o aproveitamento altamente eficiente da luz solar.
Courtesy EMPA by Andrea Six: As algas verde-azuladas estão entre as criaturas vivas mais antigas da Terra e aperfeiçoaram o uso da luz solar ao longo de bilhões de anos. Os cientistas da Empa equiparam agora esses humildes organismos unicelulares com revestimentos semicondutores para criar minicentrais, que fornecem biocombustíveis e são fotocataliticamente ativos na luz solar. E o que é melhor: as reações químicas são circulares – elas formam um sofisticado ciclo de matérias-primas.
Eles já estavam se movimentando na “sopa primordial” em nosso planeta há bem mais de dois bilhões de anos e têm ajudado a enriquecer a atmosfera da Terra com oxigênio desde então. Hoje em dia, as algas verde-azuladas ou – mais cientificamente – as cianobactérias são praticamente onipresentes: nas águas, na casca das árvores ou no topo de montanhas áridas. Eles aperfeiçoaram o uso eficiente da luz solar para a fotossíntese a tal ponto que podem sobreviver até mesmo em cavernas sombrias. Os pesquisadores da Empa liderados por Laetita Philippe do laboratório “Mecânica dos Materiais e Nanoestruturas” em Thun agora usam a tecnologia de bio-modelos para revestir as algas verde-azuladas pouco exigentes do gênero Spirulina de forma que possam ser usadas para produzir biocombustíveis e exibem um efeito fotocatalítico.
Arquitetura perfeita
Para alcançar um processo altamente eficiente e ao mesmo tempo sustentável, os pesquisadores usaram o método de bio-templating, no qual uma arquitetura dada pela natureza serve de modelo para a aplicação de novos revestimentos de superfície. A alga azul-esverdeada Spirulina, cujo formato lembra a bobina de um minúsculo aquecedor de imersão, foi especialmente indicada para isso, pois sua estrutura em espiral compacta contribui para um aproveitamento altamente eficiente da luz solar.
Os pesquisadores primeiro revestiram os cordões espirais de aproximadamente quatro micrômetros de espessura de organismos unicelulares de Spirulina preservados com uma fina camada de níquel. Como a casca de uma cebola, surgiram delicadas camadas de óxido de zinco e nanopartículas de sulfeto de zinco. “Enquanto as algas verde-azuladas em forma de espiral funcionam como um andaime estruturante, o revestimento de níquel, sendo magnético, oferece uma excelente forma de recuperar as minúsculas usinas”, diz Laetitia Philippe. O revestimento subsequente contendo zinco tem uma atividade fotocatalítica impressionante. Isso ocorre porque a combinação de dois compostos de zinco leva a um desempenho prolongado da reação fotocatalítica.
Além do mais, uma faixa mais ampla de comprimento de onda do espectro solar pode ser usada. “Com o óxido de zinco sozinho, só poderíamos usar a radiação ultravioleta do sol, por exemplo para a decomposição de poluentes ambientais. Com a atividade fotocatalítica das algas revestidas, deveria ser possível desenvolver um processo sustentável, simples e barato para o tratamento de água”, acrescenta Philippe . Desde 2015, a disponibilidade e gestão sustentável da água para todos faz parte da Agenda Global de Sustentabilidade da Organização das Nações Unidas (ONU). Em linha com este objetivo, a equipe da Empa buscou uma tecnologia que pudesse produzir água limpa em todo o mundo a partir das usinas de purificação existentes. O objetivo principal era remover microplásticos e poluentes orgânicos persistentes (POPs) da água, que os sistemas convencionais de tratamento não removem. Os pesquisadores desenvolveram então um processo baseado na fotocatálise usando óxido e sulfeto de zinco, uma reação química que oxida e neutraliza os poluentes quando expostos à luz. A combinação com nanopartículas de sulfeto de zinco torna ainda possível não só explorar a radiação UV como fonte de energia, mas também a parte visível do espectro eletromagnético.
Uma nanofern ramificada
Os pesquisadores desenvolveram inicialmente o novo revestimento fotocatalítico com base em outras estruturas que lembram florestas microscópicas de samambaias. “A arquitetura da samambaia é outra forma de absorver a energia luminosa da forma mais eficiente possível”, explica Serrá. Em experimentos de laboratório com micro e nanoferns produzidos artificialmente feitos de vários compostos químicos, a estrutura da camada de cebola de óxido de zinco, sulfeto de zinco e níquel provou ser particularmente eficiente. Além do mais, o processo de bio-templating de algas verde-azuladas foi projetado para evitar o sombreamento causado por ramos individuais dentro das microfernas, aumentando ainda mais a absorção de luz.
Outra vantagem: as algas verde-azuladas se multiplicam virtualmente por si mesmas. Com apenas água, luz solar e fertilizante, os organismos unicelulares crescem em grandes quantidades em um ritmo rápido. E eles não apenas consomem dióxido de carbono (CO 2 ) do meio ambiente e emitem oxigênio valioso como “gás residual” – o balanço de CO 2 do método pode ser melhorado adicionando CO 2 extra à cultura de algas.
Ciclo sofisticado de matérias-primas
No entanto, uma vez que os minúsculos aquecedores de imersão foram colocados para funcionar e os poluentes decompostos nas águas residuais, sua tarefa está longe de terminar. Embora os compostos de zinco e níquel possam ser recuperados e reutilizados, as estruturas preservadas da Spirulina permanecem como minicentrais. “Os biocombustíveis podem ser produzidos a partir da biomassa”, diz Laetitia Philippe. Além de render bioetanol e biodiesel, os restos de espirulina também podem ser processados e queimados em pellets para a produção de energia. E as cinzas podem eventualmente ser usadas como fertilizante para o cultivo de novas algas verde-azuladas. O sofisticado ciclo de matérias-primas agora foi demonstrado em experimentos de laboratório. Mas Laetitia Philippe está confiante de que os versáteis organismos unicelulares podem ser aplicados em uma escala maior.
The Dirty Dozen
O termo “The Dirty Dozen” representa doze toxinas ambientais que foram proibidas em todo o mundo desde 2001 pela chamada Convenção POP da ONU. Entre a lista de produtos químicos, que já foi ampliada, estão os pesticidas e inseticidas como o DDT, produtos químicos industriais e subprodutos de processos de combustão. São poluentes orgânicos persistentes (POPs) que se acumulam no meio ambiente e nos organismos vivos e, portanto, também na cadeia alimentar. São suspeitos de causar câncer, ser mutagênicos e perturbar o equilíbrio hormonal de animais e seres humanos. Com o tratamento convencional de água, esses poluentes dificilmente podem ser eliminados.
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