Micromotores extraen energía del agua residual

Un vaso lleno de agua sucia se pone a burbujear en un laboratorio en Tarragona. Las investigadoras de ese centro han lanzado en el agua un puñado de dispositivos tan pequeños que resultan invisibles, que generan esa efervescencia al desplazarse por el vaso.

Esos tubos microscópicos autopropulsados no solo descomponen la urea presente en el agua (un compuesto derivado de la orina que abunda en las aguas residuales de la ciudad), sino también la convierten en amoníaco (una sustancia que puede usarse como combustible limpio).

 El resultado fue presentado en la revista 'Nanoscale' por un equipo del Institut d’Investigacions Químiques de Tarragona (ICIQ) y de la Universidad de Goteburgo, en Suecia. Se trata de la prueba experimental de un nuevo sistema de depuración que además generaría energía verde. Pero llevarlo del laboratorio a la depuradora no será ni mucho menos inmediato, advierten las autoras.

Hace dos décadas

Los primeros micromotores aparecieron hace dos décadas. Se trata de estructuras químicas de tamaño micrométrico – las dimensiones de las motas de polvo o de las bacterias - que los químicos fabrican con diversos materiales y con toda clase de formas: tubos, esferas, estrellas, etcétera.

 Lo que los caracteriza es que están diseñados de tal manera que son capaces de desplazarse por si solos. En algunos casos, el material que los compone reacciona con el medio en que se encuentran y esa reacción química genera un impulso mecánico que los desplaza. En otros casos, se pueden empujar aplicándoles luz o campos magnéticos, que interactúan con sus componentes impulsando el movimiento.

 “Sus principales aplicaciones son medioambientales o biomédicas”, explica María José Esplandiu, investigadora del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), no implicada en el trabajo. Se pueden 'decorar' con moléculas que degradan contaminantes a medida que se desplazan en el agua. O se pueden cargar con medicamentos y dirigir hacia partes dañadas del organismo.

 Por ejemplo, se ha ensayado su uso en ratones para entregar medicamentos contra infecciones del estómago o para degradas células de cancer de vejiga. La promesa de los nanomotores es materializar la ciencia ficción de la película Viaje Alucinante (1966), aunque su uso en humanos tardará décadas.

Limpieza y energía

 El micromotor desarrollado por el ICIQ es un tubo de 17 micrómetros de longitud y 2 de diámetro. El chasis del dispositivo es de óxido de silicio, pero en su interior hay una capa de óxido de manganeso. Este reacciona con el agua oxigenada, una sustancia que se suele disolver en el agua en las depuradoras.

 La reacción tiene dos efectos. Primero, produce burbujas de oxígeno que impulsan el micromotor. Segundo, degrada la urea, un contaminante que abunda en las depuradoras urbanas, al ser un componente importante de la orina, además de ser un subproducto de diversos procesos industriales.

 Pero lo especial del invento del ICIQ es que la superficie externa del tubito está sembrada de lacasa, un compuesto químico que convierte la urea en amoníaco. “De esta forma, el sistema tiene una función dual: no sólo quita los contaminantes, sino genera un combustible verde”, explica Katherine Villa, investigadora del ICIQ y coautora del trabajo.

 En 15 minutos de reacción, el 3% de la urea se convirtió en amoníaco, explica Villa. El porcentaje podría llegar hasta el 7% con más tiempo. “Todavía son valores modestos pero hemos demostrado que podemos obtener un combustible verde a partir de agua contaminada usando los micromotores”, afirma. En una fase sucesiva, el amoníaco se puede concentrar y extraer del agua.

“El estudio es importante, porque el amoníaco se usa para transportar hidrógeno [un combustible limpio]. Producirlo con micromotores es un paso adelante substancial en el sector”, afirma Martin Pumera, investigador del Instituto Centroeuropeo de Tecnología, en la República Checa. 

 La efervescencia producida en el agua durante el experimento es tal que impide seguir las trayectorias y el comportamiento de los micromotores con los microscopios. Por eso, desde la universidad de Goteburgo se desarrolló un sistema de inteligencia artificial entrenado para distinguirlos dentro de esas imágenes confusas.

Los retos: eficiencia y toxicidad

El uso de los micromotores en depuradoras (así como su uso médico) está lejos, según Villa. “Hay que reducir los costos, se tienen que poder recuperar y reutilizar por muchos ciclos seguidos, y en biomedicina es aún más complicado: para meterlos en el cuerpo se necesitan permisos y comprobaciones”, explica.

 De momento, el equipo del ICIQ se va a concentrar en optimizar el dispositivo para que convierta en amoníaco el 100% de la urea. Asimismo, pretende rediseñarlo para que no necesite el agua oxigenada para impulsarse. La alternativa sería equipar el micromotor con compuestos sensibles a la luz e impulsarlo directamente con la luz solar. “Buscamos también que almacenen la energía solar para que puedan funcionar sin luz, como si fueran una pequeña batería”, explica Villa.

 Otro asunto clave es asegurarse que los propios micromotores no sean ni tóxicos ni contaminantes. Para ello, las estrategias consisten en fabricarlos en materiales biodegradables, o equiparlos con partículas magnéticas que permitan extraerlos del medio con imanes.

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