¿Podrá algún día la humanidad contar con un suministro de agua permanente y, más aún, libre de cualquier tipo de contaminantes? Quizás la ciencia no esté lejos de lograrlo.

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La respuesta podría llegar de la mano de lo que parecería, en muchos aspectos, un material mágico o el material del futuro. Grafeno es su nombre, y con uno de sus precursores –el óxido de grafeno- un equipo de investigadores de la Universidad Nacional de Río Cuarto trabaja en el diseño de un material que permita retener de manera eficiente contaminantes naturales como el arsénico, o introducidos, como pueden ser los agroquímicos, presentes en el agua y muy dañinos para la salud humana.

Aunque el grafeno es un material muy sencillo -sólo está formado por átomos de carbono-, recién en 2004 logró aislarse. Es el componente básico del grafito, ese que portan desde siempre los clásicos lápices escolares. De hecho, el grafito está compuesto por muchas capas de grafeno, cada una de las cuales consiste en una lámina de carbono ordenado en una trama hexagonal similar a un panal de abejas. Su espesor, de apenas un átomo, le confiere propiedades únicas, por las que se lo considera el material del futuro. Posee características récord en resistencia mecánica, conductividad eléctrica y térmica, y propiedades ópticas, entre otras.

El grafeno es una estructura nanométrica, una unidad de medida que equivale a una millonésima parte de un metro. Por ejemplo, un cabello humano tiene alrededor de 100.000 nanómetros de espesor. El grafeno tiene un espesor de aproximadamente un tercio de nanómetro y dimensiones laterales que pueden alcanzar los cientos de miles de nanómetros, por eso se los denomina materiales bidimensionales o en 2D.

Hasta ahora, el uso más concreto del grafeno es en la industria de microelectrónica –algunos teléfonos de marca Huawei, como el Mate 20 X, tienen una tecnología de disipación de calor a base de grafeno, donde se aprovechan sus excelentes propiedades de conductividad térmica y eléctrica, así como las mecánicas– aunque el actual desarrollo científico y tecnológico amplía el horizonte de posibilidades. Otras potenciales aplicaciones (algunas con prototipos en fases avanzadas de lograr un producto comercial) son en el área biomédica, la construcción, la industria automotriz y de aviación, energía, purificación de agua, y sensores de distintos tipos. Además, desde el punto de vista ambiental puede considerárselo un material verde ya que su materia prima es el grafito, un material muy abundante en la naturaleza.

Producir grandes cantidades de este material con los métodos existentes es difícil y también costoso. Pero uno de sus parientes cercanos, el óxido de grafeno, parece ser una alternativa viable dada su mayor versatilidad y procesabilidad. Se trata de un grafeno modificado con distintos tipos de funcionalidades conteniendo átomos de oxígeno –de allí el nombre de óxido– las cuales pueden, a su vez, ser usadas para “pegar” otras moléculas que le confieran distintas características o propiedades sin perder de manera importante sus excepcionales propiedades originales.

El óxido de grafeno es así una lámina 2D de átomos de carbono, que contiene en su superficie grupos oxigenados cuya abundancia y distribución espacial pueden controlarse durante su síntesis. Usando esta posibilidad, un grupo de científicos que lidera el doctor Gustavo Morales, investigador del Conicet y docente de la Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales de la UNRC, trabaja en el diseño de un mejor material para el tratamiento de aguas a través del fenómeno de adsorción. En los laboratorios del Departamento de Química de esa unidad académica, este grupo estudia la síntesis del óxido de grafeno a partir de grafito, usando un método que se conoce como exfoliación química y su posterior modificación para obtener un material optimizado para la remoción de contaminantes en agua.

En definitiva, el óxido de grafeno es una forma oxidada de grafeno, sintetizado a través de la oxidación y exfoliación del grafito. Comparte la misma estructura del grafeno, pero incluye grupos funcionales intercalados que contienen oxígeno. Las propiedades y las aplicaciones del óxido de grafeno dependen del grado de oxidación, explicó Morales a Argentina Investiga.

Purificación de agua

La ingeniera química y doctora en Ciencias Químicas Natalia Monge, también docente de la UNRC e investigadora de Conicet, es parte de este equipo de trabajo y se ocupa particularmente del proyecto de purificación de agua a través del uso de óxido de grafeno. Explicó: “Sabemos que la contaminación del agua es un tema importante. Mucho tiene que ver la mano del hombre, pero también las condiciones naturales. Por ejemplo, en el sur de Córdoba hay una gran cantidad de arsénico en los acuíferos, que es necesario retirar para poder consumir esa agua, porque de otra manera puede provocar graves enfermedades”. Y agregó: “En nuestro caso, estamos desarrollando un material que disminuya el contenido de arsénico y que pueda ser utilizado con una técnica económica y eficiente. El material que usamos de base es el óxido de grafeno, que tiene muy buenas propiedades para la adsorción de contaminantes, tanto de iones como de compuestos orgánicos que generan los residuos de pesticidas, pinturas, etcétera, y que se arrojan al agua. A este material lo fabricamos en diferentes condiciones durante el proceso de exfoliación, purificación y posterior tratamiento de modificación química. De esta forma, logramos que tenga diferentes propiedades, para poder adsorber un tipo de compuesto u otro. En este trabajo es importante tener en cuenta el proceso de recuperación posterior al tratamiento, por ello hay una gran diferencia si se lo utiliza en forma de membrana o filtro (donde la separación no es necesaria), o bien se agrega a granel dentro del contenedor de agua (un proceso más eficiente pero que requiere su posterior aislación). En cualquier caso, debe ponerse especial atención a las propiedades mecánicas del material utilizado, porque no debe romperse ni perder las propiedades de adsorción durante el proceso de purificación”.

“En el laboratorio, para estudiar las características del material, fabricamos pellets de aproximadamente medio centímetro de diámetro y espesor. El objetivo es introducirlos en el agua para que adsorban los contaminantes y luego retirarlos, por ejemplo, a través de un filtrado. Como resultado obtendríamos agua libre de contaminantes y, por tanto, apta para su empleo en consumo humano”, señaló Monge.

El óxido de grafeno ofrece una diversidad estructural, lo que permite hacer ingeniería sobre el material según el tipo y las condiciones del contaminante, destacó a su vez Morales.

Las características y aprendizajes sobre el óxido de grafeno pueden ser extrapoladas a otros materiales carbonosos (por ejemplo, derivados de la biomasa) que pueden obtenerse de manera masiva a costos muy bajos. Este tipo de investigaciones podría ser de gran ayuda para millones de personas que no tienen acceso al agua potable y que, según la ONU, representarán un 14% de la población mundial para 2025.

El arsénico es un contaminante crítico. En esta región del sur de Córdoba es fundamentalmente de origen natural, asociado con las características geoquímicas, y varía según la ubicación geográfica. La contaminación debido a las actividades humanas proviene de las curtiembres, de los desechos mineros, de vertederos, de pesticidas utilizados en la agricultura, de la fundición de minerales metálicos y conservantes de la madera, entre otros, indicó el director del proyecto.

Los métodos utilizados hasta ahora han resuelto la problemática de la contaminación con arsénico logrando alcanzar los límites permitidos para el consumo humano pero, sin embargo, a dichas técnicas se le asocian altos costos de operación y generación de residuos que requieren tratamiento adicional.

Entre los enfoques propuestos para la eliminación de especies de arsénico se destaca la adsorción, por su capacidad de escalamiento y porque resulta económica y eficiente. De todos modos, “los materiales adsorbentes tradicionales, como el carbón activado, no reúnen todos los requisitos esperados para remover el arsénico de manera selectiva y eficiente, por lo que es necesario desarrollar nuevos materiales capaces de adsorber este elemento”, precisó Morales.

Por eso, “existe una gran necesidad de desarrollar adsorbentes innovadores que contemplen las características necesarias, como alta área superficial, porosidad y funcionalidad química”, añadió el investigador.

El estudio de nanocompuestos a base de óxido de grafenos que lleva adelante el grupo de investigación tiene acumulados diez años de trabajo y los resultados obtenidos para adsorción de contaminantes en agua son bastante promisorios. Se trata de una investigación básica, en la cual los estudios se realizaron bajo condiciones controladas a escala de laboratorio y bajo el efecto de combinaciones de diferentes factores, que ahora están siendo analizados.

No obstante, los investigadores pudieron precisar que el óxido de grafeno es un buen candidato para el tratamiento de agua contaminada, toda vez que la presencia de grupos oxigenados incrementa la eficiencia y la selectividad. Por otra parte, la alta área superficial del material base sumada a la estructura porosa de los pellets aumenta la permeabilidad de este material, facilitando el flujo de las moléculas de agua a través del mismo y mejora la velocidad global del proceso, explicó Morales. En otras palabras, se trata de una alternativa novedosa y viable para el tratamiento de aguas contaminadas, que llega de la mano de la ciencia básica que se realiza en los laboratorios de la Universidad Nacional de Río Cuarto.

Estas propiedades excepcionales que ofrecen el grafeno y el óxido de grafeno son las que llevaron a este grupo de investigadores a avanzar también en otras líneas de trabajo.

Energía renovable

Bajo la dirección del doctor Morales, la licenciada Florencia Sofía Podetti, becaria doctoral de Conicet, desarrolla su tesis a partir de la síntesis de materiales grafénicos modificados para aplicaciones en energías renovables, como por ejemplo las celdas de combustibles, que son dispositivos que transforman la energía química almacenada en combustibles verdes en energía eléctrica, a partir de reacciones electroquímicas. “Estas reacciones son muy lentas, por lo que se necesitan materiales que actúen como electrocatalizadores, es decir, que aumenten la eficiencia de estas reacciones”, reseñó Podetti. “Las energías renovables buscan reemplazar las energías tradicionales que emplean combustibles fósiles, que son muy contaminantes del medioambiente. Mi labor dentro de este grupo de investigación es diseñar métodos de síntesis de estos materiales, modificándolos a partir de la introducción de distintas moléculas o heteroátomos en la estructura, que luego se aplican como electrocatalizadores para las celdas de combustible. Este proceso nos permitiría obtener materiales menos costosos, lo que haría más viable la producción de energías renovables y a mayor escala”.

Mientras tanto, la ingeniera química Paula Giordano, también becaria doctoral de Conicet, tiene como objetivo de tesis la utilización de óxido de grafeno para la fabricación de dispositivos para convertir la energía solar en vapor de agua. Explicó: “Para la fabricación de estos dispositivos se utiliza un método de moldeo por congelamiento. Consiste en congelar una dispersión de óxido de grafeno en agua, generando cristales de hielo, que luego son sublimados, para obtener una estructura en tres dimensiones altamente porosa, que se denomina aerogel. En estos momentos, lo que hacemos es establecer cómo, química o térmicamente, podemos modificar el óxido de grafeno y analizar cómo se altera la porosidad del aerogel y, a su vez, cómo esto repercute en la eficiencia de la conversión de energía solar en vapor de agua”.

“Usando estos aerogeles se construyen monolitos (el evaporador) que tiene por objetivo transportar agua desde un reservorio –se fabrican monolitos o estructuras cilíndricas que flotan sobre la superficie del agua– a la superficie que está en contacto con luz solar y donde ocurre el proceso de evaporación. Los monolitos tienen dos partes, una que es hidrofílica (por donde el agua sube por capilaridad) y la superficie posterior (fuera del agua) en contacto con la radiación solar, que es hidrofóbica y tiene la característica de ser muy eficiente en absorber la radiación solar; se calienta y evapora el agua. Toda la estructura del evaporador se construye con óxido de grafeno con distintas características, que deben ser optimizadas. Así, el proceso global consiste en generar vapor de agua a partir de luz solar, convertir energía solar en energía térmica que luego puede utilizarse para generar energía eléctrica (en una turbina), como fuente de vapor en procesos industriales o para la purificación del agua”, indicó Giordano.

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En este grupo de científicos universitarios completa su formación de grado Matías José Bisio, estudiante del último año de la carrera de Ingeniería Química y becario del CIN, quien estudia el transporte de agua a través de un monolito de óxido de grafeno, para optimizar el proceso.