Pequeños microrrobots que limpian el agua

sanchez microbots in water_for web1Investigadores del IBEC han desarrollado un pequeño ‘microrrobot’ autopropulsado que puede eliminar el plomo del agua contaminada.

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El grupo de Samuel Sánchez en colaboración con investigadores de Stuttgart y Singapur, utiliza el óxido de grafeno para realizar sus motores a la microescala, que son capaces de absorber el plomo de las aguas residuales industriales a partir de un nivel de 1.000 partes por mil millones hasta por debajo de 50 partes por mil millones en tan sólo una hora. La ventaja más tarde se puede retirar para su reciclaje, y los micromotores se pueden utilizar una y otra vez.

“La capa exterior de la microrrobot, que es de grafeno, captura el plomo,” dice Samuel, profesor ICREA y responsable de grupo en el IBEC y el Instituto Max-Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart. “La capa interna de platino funciona como el motor, la descomposición de peróxido de hidrógeno funciona como combustible de manera que el robot puede auto-propulsarse.” Cuando se añade peróxido de hidrógeno para el agua residual, el platino se descompone en agua y burbujas de oxígeno, que se expulsan desde la parte posterior del microrrobot para impulsarlo hacia adelante. “Es importante utilizar un sistema de eliminación de contaminantes que no produce ninguna contaminación adicional”, explica Samuel.

Entre las capas de óxido de platino y de grafeno hay una capa de níquel que permite a los investigadores controlar el movimiento y la dirección del microrrobot magnéticamente desde el exterior. “Se puede utilizar un campo magnético para recoger a todos desde el agua cuando hayan terminado,” dice Samuel. “En el futuro, nuestro enjambre microrrobots podría ser controlado por un sistema automatizado que los guía magnéticamente para llevar a cabo diversas tareas.”

La contaminación del agua por metales pesados – como plomo, arsénico, mercurio y otros metales – se deriva de las actividades industriales y supone un serio riesgo para la salud pública y la vida silvestre. Estos nuevos microrrobots – más pequeños que el diámetro de un cabello humano – ofrecen una solución potencialmente más rápida y barata que los actuales métodos de limpieza de agua, además de ser respetuoso con el medio ambiente: permite tratar con responsabilidad los contaminantes recogidos rehusando el plomo para reciclarlo, así como reutilizar los propios microrrobots.

“Ahora planeamos desarrollar nuestros microrrobots para que sean capaces de recoger otros contaminantes, además de reducir el costo de fabricarlos y ser capaces de producirlos en masa”, dice Samuel, que también trabaja en micro y nanorrobots autopropulsados para aplicaciones para la administración de fármacos.

Articulo de referencia: 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

  1. Samuel, ¿cómo mejoran sus nanorrobots los métodos actuales que se utilizan para descontaminar el agua contaminada con metales pesados?
    “Los métodos actuales son la ósmosis inversa, el intercambio iónico, la filtración por membrana y la precipitación química de los iones de metales pesados, que son métodos caros o que producen residuos secundarios. La principal ventaja de nuestros microrrobots es que son más eficaces, y ofrecen la posibilidad de recuperar los metales pesados para reciclar sin crear residuos secundarios. Además, nuestros micrrrobots son fáciles y simples de usar, tienen costos muy bajos de instalación.
    “El grafeno por si mismo es ya un muy buen material para la eliminación de metales pesados, y nuestros resultados muestran que podemos aumentar su eficacia mediante el uso de un diseño de microrrobot activo – lo que significa que es el microrrobot el que se mueve a través del agua, y no el agua que se elimina a través de membranas, etc., utilizando fuentes de energía externas como la alta presión. Esto disminuye el consumo de energía y por lo tanto el costo.
    “Sin embargo, el que platino se utiliza como material catalítico es bastante caro. Es posible utilizar un material de catalizador alternativo como el dióxido de manganeso para reducir el costo de las posibles aplicaciones comerciales;. Y, por supuesto, la reutilización también disminuye el costo adicional. Además, en nuestro trabajo hemos demostrado que el uso de peróxido se puede evitar mediante el uso de un sistema magnético para que los microrrobots naden activamente, sigue siendo un método eficaz, pero no lo es tanto como el método autopropulsado en baja concentración de peróxido de hidrógeno. El peróxido de hidrógeno es un reactivo químico verde que después del proceso de descontaminación solo produce agua y oxígeno”.
  2. ¿En términos financieros, Cómo de grande es el problema de la contaminación por metales pesados del agua?
    Los costos de la contaminación de metales pesados son de alrededor de 5 mil millones de dólares al año en los EEUU y aún más en China.
  3. ¿Dónde se imagina que utilizarán sus microrrobots? ¿Se pueden poner en un río que contaminado por procesos industriales, por ejemplo?
    “Tenemos la idea de utilizar los microrrobots para el pre-tratamiento de las aguas residuales industriales antes de volcar en un río. Los microrrobots nadarán en un entorno controlado, como pequeños depósitos, tuberías o contenedores, pero aún no en aguas abiertas. Esta técnica es escalable, por lo que prevemos que las pequeñas empresas podrían utilizar microrrobots para descontaminar el agua en caso de que no pueden permitirse el lujo de llevar sus aguas residuales a las plantas de descontaminación. En lugar de traer el agua a la planta, traemos los microbots a la empresa.
    “Un mecanismo diferente podría ser utilizado para la auto-propulsión sin usar peróxido de hidrógeno, pero la vida útil de la microbot sería muy corta. En este momento, creemos que son más prácticos para usar en un entorno controlado, como en un tanque de agua residual contaminada con metales pesados en una planta industrial “.
  4. ¿Se pueden usar los microrrobots para limpiar otros tipos de contaminantes de agua, como el aceite?
    Los microrrobots son muy versátiles en cuanto a sus aplicaciones medioambientales, dependiendo de su funcionalización química para diferentes objetivos. Nuestro grupo informó por primera vez de la degradación eficiente de contaminantes orgánicos por sistemas autopropulsados con una superficie de hierro (Soler et al., ACS Nano 2013 7 (11), 9611-9620), y nuestros resultados recientes muestran que se pueden utilizar múltiples veces durante varios meses sin mucha disminución de la actividad (Parmar et al., Adv. Funct. Mat. 2016 DOI: 10.1002/adfm.201600381). La captación de hidrocarburos fue reportado por el grupo del Dr. Joe Wang mediante el uso de una funcionalización de la superficie hidrófoba diferente, pero, como ya he explicado antes, es difícil de usar microbots en la naturaleza, debido algunas de las limitaciones del sistema actual (Wang et al., ACSNano 2012).”
  5. ¿Cuándo crees que los microrrobots estarán disponibles para el uso comercial?
    “Actualmente, estamos financiados por la subvención Proof of Concept del ERC con la finalidad de comercializarlos o crear una spin-off de este proyecto. Además, estamos en contacto con varias compañías que están interesadas en nuestra tecnología. No obstante, algunos aspectos deben tenerse en cuenta como, por ejemplo, la producción en masa y el coste. En este momento es difícil de decir, pero en mi opinión, debería verse el primer uso comercial de microrrobots autopropulsados a lo largo del próximo par de años “.