p (PhysOrg.com) - Os engenheiros usam técnicas de imagem avançadas para examinar materiais bimetálicos que corrigiram mais de 50 locais de resíduos tóxicos. p Nanopartículas de ferro 1, 000 vezes mais fino do que um cabelo humano demonstraram uma capacidade sem precedentes de limpar águas subterrâneas contaminadas desde que foram inventados há 10 anos em Lehigh.

p As partículas revestidas de paládio remediaram mais de 50 locais de resíduos tóxicos nos EUA e em outros países em um décimo do tempo, e em uma economia de escala muito maior, do que os métodos tradicionais de “bombear e tratar”.

p Agora, graças às instalações incomparáveis ​​de microscopia eletrônica e espectroscopia de Lehigh, os pesquisadores obtiveram percepções incomparáveis ​​que poderiam melhorar a eficiência e estender as aplicações das poderosas nanopartículas.

p Os pesquisadores usaram microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM) e espectroscopia dispersiva de energia de raios-X (XEDS) para capturar, pela primeira vez, a evolução na nanoestrutura das partículas bimetálicas à medida que removem contaminantes na água.

p Os instrumentos de imagem avançados em Lehigh capturaram detalhes surpreendentes das reações dentro das nanopartículas. Como eles reagem com poluentes como o tricloroeteno (TCE), um solvente industrial tóxico, as nanopartículas exibem enormes mudanças estruturais. O núcleo da partícula se torna oco, o ferro se espalha para fora, e o paládio, um catalisador que constitui 1 por cento da massa da partícula, migra da superfície externa para a superfície interna do ferro.

p Escrevendo no início deste mês em Ciência e Tecnologia Ambiental ( HUSA ), o principal jornal em seu campo, os pesquisadores de Lehigh relataram que a capacidade das nanopartículas de remover toxinas diminui à medida que as partículas "envelhecem" e sofrem mudanças estruturais com a exposição à água.

p Seus resultados, eles escreveram, sugerem que a idade das nanopartículas e o ambiente de armazenamento desempenham um papel crítico em influenciar sua eficácia como agentes de remediação.

p Minúsculo mas poderoso

p O artigo ES&T, intitulado "Structural Evolution of Pd-Doped Nanoscale Zero-Valent Iron (nZVI) em meios aquosos e implicações para o envelhecimento e reatividade das partículas, ”Foi escrito por Weile Yan, um Ph.D. candidato em engenharia civil e ambiental, com Andrew Herzing '07 Ph.D., um engenheiro de pesquisa de materiais no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia; Xiao-Qin Li, que recebeu um Ph.D. em engenharia civil e ambiental em 2008; Christopher Kiely, professor de ciência e engenharia de materiais; e Wei-xian Zhang, professor de engenharia civil e ambiental.

p As nanopartículas, que foram inventados por Zhang, média de 50 nanômetros de diâmetro (1 nm equivale a um bilionésimo de um metro). As ilhas de paládio na superfície externa do ferro medem 2 a 5 nm de diâmetro. As partículas removeram pesticidas, cloreto de vinil, TCE e outros contaminantes em 10 estados e na Europa e na Ásia. Os locais tratados incluem aterros sanitários, uma fábrica de eletrônicos, fábricas de produtos químicos e instalações militares.

p Quando injetado na água subterrânea, as nanopartículas fluem com a água e reagem e desintoxicam os contaminantes. Seu pequeno tamanho e maior área de superfície proporcional proporcionam mais reatividade com toxinas do que grandes quantidades do mesmo catalisador.

p Essa reatividade superior, diz Harch Gill, presidente da Lehigh Nanotech LLC, uma empresa Belém que detém os direitos comerciais das partículas, permite que as partículas remediem um local tóxico em menos de um ano, em comparação com os 10 a 20 anos exigidos pelos métodos de bombear e tratar.

p E de acordo com a Associação de Gestores de Tecnologia da Universidade, que nomeou Lehigh Nanotech uma das 25 principais histórias de colaboração de tecnologia em 2008, “São necessários apenas seis onças dos minúsculos nanomateriais, versus uma tonelada de compostos maiores, para fazer mudanças radicais na limpeza de ambientes contaminados. ”

p Como resultado, diz Zhang, as nanopartículas são agora um dos nanomateriais mais usados ​​do mundo.

p Um novo foco

p Yan, que estudou as nanopartículas desde 2007, diz que os resultados experimentais ajudarão os pesquisadores a desenvolver melhores métodos de manuseio e armazenamento de partículas, e de coletar e reutilizar o paládio após ter neutralizado os contaminantes. Paládio, usado em conversores catalíticos, dispositivos eletrônicos e células de combustível, é um metal raro e frequentemente caro.

p Os resultados também podem ser usados ​​para melhorar a capacidade das nanopartículas à base de ferro de capturar e remover toxinas de metais pesados ​​de locais contaminados, diz Yan.

p “Este artigo é apenas um ponto de partida, " ela diz. “Usando o mesmo conjunto de ferramentas, podemos estudar espécies de metal e nZVI para aprender como os metais pesados ​​são capturados por nZVI, onde eles interagem e onde o destino final dos metais pesados ​​é dentro do nZVI. ”

p A pesquisa do grupo, diz Yan, foi possibilitado pelo fato de que Lehigh tem o maior laboratório de microscopia eletrônica dos EUA. O STEM com correção de aberração usado pela equipe de Yan resolve imagens para 0,1 nm enquanto identifica a composição química neste minúsculo "pixel" de uma amostra. Combinado com XEDS, permitiu aos pesquisadores mapear a superfície e o interior da nanopartícula de ferro, localize as ilhas de paládio, e rastreie a infiltração do paládio no interior da partícula. O grupo também usou a espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) para examinar as mudanças nas propriedades químicas das nanopartículas.

p Os instrumentos possibilitaram ao grupo uma abordagem inovadora para sua pesquisa, diz Yan.

p “A forma tradicional de fazer pesquisas ambientais é examinar os contaminantes da água para garantir que sejam eliminados, " ela disse. “Estamos adotando uma abordagem diferente, olhando dentro do agente de tratamento para ver o que acontece com ele e como a remediação realmente ocorre.”

p Yan fará uma apresentação sobre a pesquisa do grupo para a Divisão de Química Ambiental da American Chemical Society na conferência anual da ACS em agosto em Boston.