El grup de Samuel Sánchez en col·laboració amb investigadors de Stuttgart i Singapur, utilitza l’òxid de grafè per a realitzar els seus motors a la micro escala, que són capaços d’absorbir el plom de les aigües residuals industrials a partir d’un nivell de 1.000 parts per mil milions fins a menys de 50 parts per mil milions en tan sols una hora. L’avantatge més tard es pot retirar per al seu reciclatge, i els micromotors es poden utilitzar una vegada i una altra.
“La capa exterior de la microrrobot, que és de grafè captura el plom,” diu Samuel, professor ICREA i responsable de grup en el IBEC i l’Institut Max-Planck de Sistemes Intel·ligents a Stuttgart. “La capa interna de platí funciona com el motor, la descomposició de peròxid d’hidrogen funciona com a combustible de manera que el robot pot autopropulsar-se.” Quan s’afegeix peròxid d’hidrogen per a l’aigua residual, el platí es descompon en aigua i bombolles d’oxigen, que s’expulsen des de la part posterior del microrrobot per impulsar-ho cap endavant. “És important utilitzar un sistema d’eliminació de contaminants que no produeix cap contaminació addicional”, explica Samuel.
Entre les capes d’òxid de platí i de grafè hi ha una capa de níquel que permet als investigadors controlar el moviment i l’adreça del microrrobot magnèticament des de l’exterior. “Es pot utilitzar un camp magnètic per recollir a tots des de l’aigua quan hagin acabat,” diu Samuel. “En el futur, el nostre eixam microrrobots podria ser controlat per un sistema automatitzat que els guia magnèticament per dur a terme diverses tasques.”
La contaminació de l’aigua per metalls pesants – com a plom, arsènic, mercuri i altres metalls – es deriva de les activitats industrials i suposa un seriós risc per a la salut pública i la vida silvestre. Aquests nous microrrobots – més petits que el diàmetre d’un cabell humà – ofereixen una solució potencialment més ràpida i barata que els actuals mètodes de neteja d’aigua, a més de ser respectuós amb el medi ambient: permet tractar amb responsabilitat els contaminants recollits refusant el plom per reciclar-ho, així com reutilitzar els propis microrrobots.
“Ara planegem desenvolupar els nostres microrrobots perquè siguin capaços de recollir altres contaminants, a més de reduir el cost de fabricar-los i ser capaços de produir-los en massa”, diu Samuel, que també treballa en micro i nanorrobots autopropulsats per a aplicacions per a l’administració de fàrmacs.
—
Article de referència: Diana Vilela, et al. “Graphene-Based Microbots for Toxic Heavy Metal Removal and Recovery from Water.” Nano Letters, 10.1021/acs.nanolett.6b00768
Samuel Sánchez: Q&A
- Samuel, com milloren els seus nanorrobots els mètodes actuals que s’utilitzen per descontaminar l’aigua contaminada amb metalls pesants?
“Els mètodes actuals són l’osmosi inversa, l’intercanvi iònic, la filtració per membrana i la precipitació química dels ions de metalls pesants, que són mètodes cars o que produeixen residus secundaris. El principal avantatge dels nostres microrrobots és que són més eficaços, i ofereixen la possibilitat de recuperar els metalls pesants per reciclar sense crear residus secundaris. A més, els nostres micrrrobots són fàcils i simples d’usar, tenen costos molt baixos d’instal·lació.
“El grafé per si mateix és ja un molt bon material per a l’eliminació de metalls pesants, i els nostres resultats mostren que podem augmentar la seva eficàcia mitjançant l’ús d’un disseny de microrrobot actiu – el que significa que és el microrrobot el que es mou a través de l’aigua, i no l’aigua que s’elimina a través de membranes, etc., utilitzant fonts d’energia externes com l’alta pressió. Això disminueix el consum d’energia i per tant el cost.
“No obstant això, el que platí s’utilitza com a material catalític és bastant car. És possible utilitzar un material de catalitzador alternatiu com el diòxid de manganès per reduir el cost de les possibles aplicacions comercials. I, per descomptat, la reutilització també disminueix el cost addicional. A més, en el nostre treball hem demostrat que l’ús de peròxid es pot evitar mitjançant l’ús d’un sistema magnètic perquè els microrrobots nedin activament, segueix sent un mètode eficaç, però no ho és tant com el mètode autopropulsat en baixa concentració de peròxid d’hidrogen. El peròxid d’hidrogen és un reactiu químic verd que després del procés de descontaminació solament produeix aigua i oxigen”. - En termes financers, Com és de gran el problema de la contaminació per metalls pesants de l’aigua?
Els costos de la contaminació de metalls pesants són d’al voltant de 5 mil milions de dòlars a l’any als EEUU i encara més a Xina. - On s’imagina que utilitzaran els seus microrrobots? Es poden posar en un riu que contaminat per processos industrials, per exemple?
“Tenim la idea d’utilitzar els microrrobots pel pretractament de les aigües residuals industrials abans de bolcar en un riu. Els microrrobots nedaran en un entorn controlat, com a petits dipòsits, canonades o contenidors, però encara no en aigües obertes. Aquesta tècnica és escalable, per la qual cosa preveiem que les petites empreses podrien utilitzar microrrobots para descontaminar l’aigua en cas que no poden permetre’s el luxe de portar les seves aigües residuals a les plantes de descontaminació. En lloc de portar l’aigua a la planta, portem els microrrobot a l’empresa.
“Un mecanisme diferent podria ser utilitzat per a l’acte-propulsió sense usar peròxid d’hidrogen, però la vida útil de la microrrobot seria molt curta. En aquest moment, creiem que són més pràctics per usar en un entorn controlat, com en un tanc d’aigua residual contaminada amb metalls pesants en una planta industrial “. - Es poden usar els microrrobots per netejar altres tipus de contaminants d’aigua, com el petroli?
“Els microrrobots són molt versàtils quant a les seves aplicacions mediambientals, depenent de la seva funcionalizació química per a diferents objectius. El nostre grup va informar per primera vegada de la degradació eficient de contaminants orgànics per sistemes autopropulsats amb una superfície de ferro (Soler et al., ACS Nano 2013 7 (11), 9611-9620), i els nostres resultats recents mostren que es poden utilitzar múltiples vegades durant diversos mesos sense molta disminució de l’activitat (Parmar et al., Adv. Funct. Mat. 2016 DOI: 10.1002/adfm.201600381). La captació d’hidrocarburs va ser reportat pel grup del Dr. Joe Wang mitjançant l’ús d’una funcionalizació de la superfície hidròfoba diferent, però, com ja he explicat abans, és difícil d’usar microrrobots en la naturalesa, hagut d’algunes de les limitacions del sistema actual(Wang et al., ACSNano 2012).” - Quan creus que els microrrobots estaran disponibles per a l’ús comercial?
“Actualment, som finançats per la subvenció Proof of Concept de l’ERC amb la finalitat de comercialitzar-los o crear un spin-off d’aquest projecte. A més, estem en contacte amb diverses companyies que estan interessades a la nostra tecnologia. No obstant això, alguns aspectes han de tenir-se en compte com, per exemple, la producció en massa i el cost. En aquest moment és difícil de dir, però al meu entendre, hauria de veure’s el primer ús comercial de microrrobots autopropulsats al llarg del proper parell d’anys”.
