Las condiciones medioambientales actuales nos presentan el desafío de desarrollar procesos más sustentables. En el contexto actual, donde cada día es más evidente que los recursos naturales deben ser usados de manera más racional, es necesario repensar procesos y utilizar materiales que puedan representar una mejora en la calidad de vida de las personas.
En la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, investigadoras e investigadores del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales (DIQBM) desarrollan y estudian materiales para mejorar la eficiencia energética y la detección de contaminantes en el medioambiente. Así es como, impulsada por el descubrimiento del grafeno, la utilización de materiales bidimensionales o 2D se ha transformado en una alternativa prometedora para las aplicaciones específicas de ciencia de superficies, tales como catálisis, detección y tribología.
Es en esta última, donde el doctor en Ciencias de los Materiales, académico e investigador del DIQBM, Andreas Rosenkranz, ha centrado su trabajo. La tribología es una ciencia multidisciplinaria que estudia la fricción y el desgaste que se produce por el contacto entre superficies sólidas que están en movimiento, así como también la lubricación que se requiere para su buen uso y una larga vida útil.
Gran parte de las investigaciones que realiza el académico en tribología las hace con los MXenes, nanoláminas de carburo de titanio que en estudios de laboratorio han demostrado tener “una combinación de propiedades única con características tipo cerámicas, buenas propiedades mecánicas, una alta resistencia química y una química superficial que permite una buena manipulación de estos nanomateriales”, comenta.
Estas propiedades pueden presentarse como soluciones catalíticas más sustentables y así reducir las emisiones de CO2, proyectándose como una alternativa limpia de lubricación en reemplazo de los productos derivados del petróleo crudo, aditivos altamente tóxicos para el medioambiente, alargando la vida útil de las máquinas.
Detección de gases contaminantes
Rosenkranz además colabora con el investigador Rodrigo Espinoza, quien lidera un proyecto Fondecyt que busca principalmente estudiar y desarrollar aplicaciones con los MXenes para la detección de gases contaminantes.
Materiales bidimensionales como el Mxene han mostrado propiedades notables para sensar gases tóxicos en concentraciones muy bajas a temperatura ambiente. Sin embargo, su desempeño se deteriora con el tiempo, por lo que el desafío es mejorar su estabilidad para llegar a las aplicaciones industriales.
Lo relevante de esta investigación es que se podría detectar de manera temprana episodios críticos de contaminación y así evitar situaciones como las ocurridas en zonas de sacrificio. Rodrigo Espinoza comenta que “esta investigación debería aportar en el mediano plazo, tanto al desarrollo local de sensores con aplicaciones atingentes a las industrias del país como al monitoreo localizado en los puntos de emisión y donde sea relevante cautelar la concentración de contaminantes. Esto es importante para levantar las alarmas oportunamente antes de que se produzca la intoxicación de personas”.
El estudio también está buscando nuevos materiales laminares o híbridos capaces de medir en distintas condiciones climáticas y que puedan aplicarse en sensores de bajo consumo para que sean portátiles. “Este tipo de desarrollos aportan al monitoreo de condiciones ambientales e industriales, siendo un insumo imprescindible para el desarrollo de industrias y procesos sustentables”, sostiene Espinoza.
En la misma línea de la detección de sustancias tóxicas en zonas de sacrificio, la académica del DIQBM, Mónica Soler, trabaja en el proyecto “Superficies funcionalizadas para la detección medioambiental (FunSED)” que busca diseñar materiales que puedan detectar de manera óptima contaminantes volátiles (VOC) en el aire y contaminantes emergentes en las aguas.
El estudio pretende optimizar las interacciones entre la superficie y los contaminantes a escala molecular de las estructuras organometálicas (MOF) y estructuras organometálicas montadas en superficie (SURMOF) de manera de obtener la sensibilidad, selectividad y estabilidad requeridas para sensar estos contaminantes.
El proyecto, de acuerdo a Soler, puede ser relevante para las futuras generaciones de investigadores, “potenciando la formación de nuestros y nuestras estudiantes en el área de detección y tratamiento de contaminantes en Chile, como por ejemplo explorando formas de detección de contaminantes volátiles presentes en las zonas de alta contaminación”, asegura.
Degradación de contaminantes
El estudio de nuevos materiales sustentables también se aboca en encontrar nuevas formas de tratamiento o degradación de contaminantes orgánicos presentes en el agua o el aire. Así es como el equipo de la investigadora y docente del DIQBM, Isadora Berlanga, se dedica al desarrollo de redes orgánicas covalentes (COFs), estructuras cristalinas porosas basadas en la unión de moléculas orgánicas mediante enlaces covalentes que poseen características especiales para aplicaciones en áreas de sustentabilidad, como la adsorción, separación, detección y degradación catalítica de contaminantes.
“La acción fotocatalítica de COFs proviene de la capacidad de absorber luz y generar pares de electrones y huecos que pueden desarrollar reacciones químicas que desencadenan la transformación de compuestos indeseables en productos menos tóxicos en el agua. En concreto, la acción fotocatalítica de determinados COFs pueden utilizarse para degradar contaminantes orgánicos persistentes en el agua o en el aire”, explica.
Actualmente se están explorando diferentes estrategias de diseño y síntesis para mejorar la eficiencia y estabilidad de los COFs. Se proyecta que sean una plataforma versátil y prometedora para la fotocatálisis, ofreciendo nuevas posibilidades en la utilización de energía solar y promover reacciones limpias y eficientes para la transformación de compuestos químicos en aplicaciones medioambientales y energéticas sostenibles.
“En concreto, en el grupo realizamos el estudio fotocatalítico de COFs que le dan la posibilidad de coordinarse con metales pesados y convertirlos a estados de oxidación menos nocivos para el medioambiente, por ejemplo, el cromo y la degradación de contaminantes orgánicos tóxicos como son los colorantes presentes en las aguas residuales”, comenta la investigadora.
