Nanomaterialele ar putea combate schimbările climatice și poluarea

Lista problemelor din mediu cu care se confruntă lumea este imensă, dar unele strategii pentru rezolvarea lor sunt remarcabil de mici. Abordate în primă instanță pentru aplicații în microscopie și computere, nanomaterialele – materiale alcătuite din unități care sunt fiecare în parte de mii de ori mai mici decât grosimea firului de păr uman – au fost descoperite ca fiind utile pentru combaterea amenințărilor la adresa bunăstării planetei noastre.

Oamenii de știință de pe tot globul dezvoltă nanomateriale care pot utiliza eficient dioxidul de carbon din aer, care absorb poluanți toxici din apă și care degradează deșeurile solide în produse utile.

,,Nanomaterialele ne-ar putea ajuta să atenuăm poluarea. Acestea sunt reciclabile și s-au dovedit a fi catalizatori eficienți. Acum, trebuie să devină viabile din punct de vedere economic pentru comercializare și să ajungă să înlocuiască complet tehnologiile actuale”, spune Arun Chattopadhyay, membru al Facultății de Chimie al Centrului pentru Nanotehnologie, Institutul Indian de Tehnologie Guwahati.

Recoltarea de dioxid de carbon (CO2)

Pentru a contribui la încetinirea creșterii schimbărilor climatice în nivelurile atmosferice de CO2, cercetătorii au dezvoltat mașini de recoltat nanoCO2 care pot aspira dioxidul de carbon atmosferic și îl pot folosi în scopuri industriale.

,,Nanomaterialele pot transforma dioxidul de carbon în produse utile, precum alcoolul. Materialele ar putea fi, în natura lor, simpli catalizatori chimici sau fotochimici care lucrează în prezența luminii solare „, spune Chattopadhyay, care lucrează cu nanomateriale pentru a aborda poluanții din mediu de mai mult de un deceniu.

Chattopadhyay nu este singur. Multe grupuri de cercetare se străduiesc să abordeze o problemă care, dacă va fi rezolvată, ar putea fi esențială în combaterea schimbărilor climatice: cum să scoatem CO2 din atmosferă și să îl transformăm în produse utile. Nanoparticulele oferă o abordare promițătoare a acestui fapt deoarece au un raport mare suprafață-volum pentru interacțiunea cu CO2 și proprietăți care le permit să faciliteze conversia CO2 în altceva. Provocarea este de a le face viabile din punct de vedere economic. Cercetătorii au încercat totul, de la nanoparticule metalice până la carbon pentru a reduce costurile, dar până acum nu au devenit suficient de eficiente pentru aplicații la scară industrială.

Unul dintre cei mai recenți pași înainte în acest domeniu este munca unor oameni de știință de la CSIR – Institutul Indian de Petrol și Universitatea de Știință și Tehnologie de la Lille, Franța. Cercetătorii au dezvoltat o mașină de recoltat nanoCO2 care utilizează apă și lumina soarelui pentru a transforma CO2 atmosferic în metanol, care poate fi folosit ca și combustibil pentru motor, solvent, agent antigel și diluant de etanol. Făcut prin învelirea unor sfere de oxid de zinc, cupru și magnetit cu un strat de oxid de grafen modificat, materialul arată ca o minge de golf în miniatură, captează CO2 mai eficient decât catalizață în cadrul Institutul Indian de Petrol, Dehradun din India, care a dezvoltat materialul de recoltat nanoCO2.

Jain spune că materialul are o suprafață moleculară mare și captează mai mult CO2 decât un catalizator convențional cu o suprafață similară, ceea ce face conversia mai eficientă. Datorită dimensiunilor mici, nanoparticulele au tendința de a se aglomera, făcându-le inactive la utilizare prelungită. Jain adaugă că sintetizarea materialelor pe bază de nanoparticule este, de asemenea, o provocare pentru că este greu să se facă particulele de dimensiuni constante. Chattopadhyay spune că eficiența acestor materiale poate fi îmbunătățită în continuare, oferind speranță pentru o aplicație utilă în viitor.

Curățarea apei

Majoritatea coloranților toxici utilizați în industria pielariei și cea textilă pot fi capturați cu nanoparticule. ,,Poluanții din apă, spre exemplu coloranții proveniți din deșeurile create de oameni, precum cei proveniți din tăbăcării, ar putea ajunge la surse naturale de apă, la izvoare sau chiar în apele subterane, dacă apa uzată din aceste industrii este lăsată netratată”, spune Chattopadhyay. ,,Această problemă este destul de greu de rezolvat”.

Un grup internațional de cercetători condus de profesorul Elzbieta Megiel de la Universitatea din Varșovia, Polonia, arată că nanomaterialele au fost studiate pe scară largă pentru eliminarea metalelor grele și a coloranților din apele uzate. Potrivit echipei de cercetare, procesele de adsorbție care utilizează materiale care conțin nanoparticule magnetice sunt foarte eficiente și pot fi ușor de realizat deoarece astfel de nanoparticule au un număr mare de situri pe suprafața lor care pot capta poluanți și nu se degradează ușor în apă.

Chattopadhyay adaugă că nanomaterialele magnetice proiectate corespunzător pot fi utilizate pentru a separa de apă poluanți precum arsenicul, plumbul, cromul și mercurul. Cu toate acestea, abordarea bazată pe nanotehnologie trebuie să fie mai eficientă decât tehnologia convențională de purificare a apei, pentru a face ca aceasta să fie utilă.

Pe lângă îndepărtarea coloranților și a metalelor, nanomaterialele pot fi de asemenea utilizate pentru curățarea scurgerilor de petrol. Cercetătorii condusi de Pulickel Ajayan de la Universitatea Rice din Houston, Texas, au dezvoltat un nanoburete reutilizabil care poate elimina uleiul din apa de mare contaminată.

Tehnologia promite, dar nu este încă pregătită pentru lumina reflectoarelor.

,,În timp ce nanoburetele este un material bun pentru a face față deversărilor de petrol, rezultatele obținute sunt limitate la laborator”, spune Ashok Ganguli, directorul Institutului de Nano Știință și Tehnologie din Mohali, Punjab, India. ,,Sinteza la scară largă este necesară dacă trebuie să eliminăm din apa de mare uleiul care se întinde pe mai mulți kilometri.” Deși oamenii de știință nu au reușit încă să sintetizeze cu succes nanomaterialele pentru curățarea scurgerilor de petrol la o scară suficient de mare pentru aplicații practice, acest lucru poate deveni posibil cu mai multe cercetări și parteneriate din industrie „, spune Chattopadhyay.

Accelerarea digestiei

Un alt domeniu explorat pentru aplicarea nanomaterialelor este gestionarea deșeurilor organice, care, dacă nu sunt tratate corespunzător, pot polua terenurile și apa. ,,Fermele și industria alimentară generează cantități uriașe de deșeuri biodegradabile și trebuie să găsim modalități de gestionare eficientă a acestora”, spune Debjyoti Sahu, profesor de inginerie la Amrita Vishwa Vidyapeetham, Karnataka, India.

Una dintre cele mai vechi metode de tratare a deșeurilor biodegradabile este depozitarea lor în rezervoare numite digestoare. Acestea sunt pline de microbi anaerobi care consumă materialul, transformându-l în combustibil de biogaz și solide care pot fi folosite ca îngrășăminte. Dar digestia anaerobă este lentă.

Cercetările recente au arătat că adăugarea nanoparticulelor de oxid de metal la un digestor al deșeurilor alimentare a dublat cantitatea de combustibil de biogaz produsă în comparație cu digestorul fără nanoparticule. ,,Nanoparticulele pot accelera digestia anaerobă a nămolului, făcându-l mai eficient din punct de vedere al duratei și crescând producția de biogaz „, spune Kamalakannan Kailasam, om de știință la Institutul de Nano Știință și Tehnologie din Mohali, India.

,,Nanoparticulele de oxid de fier nu sunt toxice și trebuie adăugate la deșeurile de nămol pentru a spori rata degradării lui”, spune Sahu.

Siguranța este prioritară

În timp ce nanoparticulele au potențialul de a rezolva probleme ale mediului, dimensiunea redusă care le face utile pentru curățarea mediului ridică, de asemenea, suspiciuni privind sănătatea și persistența în mediu. ,,Efectele pe termen lung ale utilizării nanomaterialelor nu au fost încă evaluate”, spune Chattopadhyay.

Institutul Național de Științe ale Mediului din Statele Unite ale Americii și alții sponsorizează cercetări pentru a evalua efectele potențiale ale nanoparticulelor proiectate asupra sănătății și a mediului. Cercetătorii creează, de asemenea, modele pentru a prezice transportul și soarta nanomaterialelor în mediul înconjurător, precum și efectele lor potențiale asupra oamenilor. Dacă problemele ridicate pot fi abordate în mod adecvat, nanomaterialele ar putea juca un rol important în a ne ajuta să facem față provocărilor legate de mediu în anii următori.

Source: Scientific American

Photo/video source: Dino