Pesquisadores do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart desenvolveram um novo método para a degradação ativa de poluentes orgânicos em solução usando micro-motores de natação. Os microcleaners móveis consistem em um ferro externo e uma camada interna de platina, combinando assim duas funcionalidades. Peróxido de hidrogênio, que deve ser adicionado à solução contaminada, atua como combustível para os micromotores de platina e como reagente para degradar poluentes orgânicos na camada de ferro. Não existem muitos métodos para a limpeza bem-sucedida de águas residuais poluídas. A reação de Fenton, um dos processos de oxidação avançados mais populares para a degradação de poluentes orgânicos, depende da corrosão ácida espontânea da superfície do micromotor de ferro na presença de peróxido de hidrogênio. Os cientistas relatam que a oxidação de poluentes orgânicos alcançada por um enxame desses microjatos autopropelidos é doze vezes maior do que com o uso de microtubos de ferro imóveis.

Os métodos comuns de tratamento de água são ineficientes na remoção da maioria dos tipos de poluentes orgânicos. Óleos minerais, pesticidas, solventes orgânicos, tintas e organoclorados não podem ser removidos usando coreto, métodos de ozônio ou floculação que fazem parte dos procedimentos regulares de processamento de água. A reação de Fenton, por outro lado, é altamente eficiente na remoção desses poluentes. O termo 'reação de Fenton' refere-se ao uso de uma combinação de ferro e peróxido de hidrogênio para oxidar poluentes orgânicos, degradando-os assim em dióxido de carbono e água. A reação de múltiplos estágios é catalisada por íons Fe (II). O grupo de Samuel Sánchez no Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes agora combinou o melhor de dois mundos e criou um, versão automotora deste sistema de limpeza microscópico. Seus microjatos têm um micromotor interno de platina alimentado por peróxido de hidrogênio e uma camada de limpeza externa onde o peróxido de hidrogênio reage com poluentes orgânicos na presença de ferro. Os íons Fe (II) que são necessários como catalisadores para a reação de Fenton são formados quando o ferro na superfície do tubo externo estabelece contato com a água.

Para produzir seus sistemas de limpeza móveis, os pesquisadores usaram um método para enrolar filmes finos de metal que foi desenvolvido apenas alguns anos atrás. Eles evaporaram uma fina camada de ferro de 100-200 nanômetros sobre uma superfície de vidro revestida com um denso padrão de quadrados de laca alinhados. Em uma segunda etapa, os pesquisadores adicionaram uma camada de platina de apenas um nanômetro de espessura, usando uma técnica especial de pulverização catódica. Devido às diferentes propriedades mecânicas dos metais, a camada dupla começa a enrolar em forma de tubo uma vez que a camada de verniz é removida. “Essa técnica nos permite produzir um grande número de tubos multifuncionais”, diz Samuel Sánchez, o chefe do Grupo de Pesquisa Max Planck em Stuttgart.

Bolhas de oxigênio transformam os microtubos em um motor a jato

A camada de platina funciona como um motor, Porque, muito parecido com o ferro, catalisa uma reação química com o peróxido de hidrogênio do agente oxidante. "O peróxido de hidrogênio atua como combustível para nossos submarinos em miniatura, "explica Luis Soler, um cientista do grupo de pesquisa. Quando o peróxido de hidrogênio e a platina reagem, a platina atua como um catalisador para a decomposição do peróxido de hidrogênio em água e oxigênio, formando assim pequenas bolhas. À medida que mais e mais bolhas são produzidas, eles escapam do tubo. Inicialmente, quantidades diferentes de oxigênio saem de cada lado do tubo e o tubo é movido a jato aleatoriamente. Assim que o tubo atinge uma certa velocidade, no entanto, todas as bolhas escapam para um lado, e o tubo é empurrado na direção oposta das bolhas que escapam, alimentando assim mais combustível na extremidade dianteira.

A ideia inicial de envolver os micro-motores de platina com uma camada de ferro ganhou vida enquanto os cientistas pensavam em um problema totalmente diferente. Visões típicas das possibilidades tecnológicas de futuros micro e nanomotores incluem o transporte rápido de agentes farmacêuticos para áreas-alvo específicas, como células tumorais, por exemplo. Na chegada, eles perfurariam a membrana celular como uma nanocânula e injetariam o agente ativo diretamente na célula-alvo. Contudo, um grande obstáculo permanece no caminho para alcançar esta visão:peróxido de hidrogênio, como todos os outros combustíveis que foram desenvolvidos para esses motores, prejudica os organismos vivos. E é aí que surge a ideia de uma nova aplicação:os cientistas decidiram empregar seus micromotores em locais onde o uso de peróxido de hidrogênio não é uma desvantagem, mas antes desempenha uma função importante como co-reagente.

Um novo remédio contra resíduos de tinta e pesticidas

Porque a camada de ferro também é magnética, os tubos podem ser direcionados para poluentes de difícil acesso e podem ser recuperados após a conclusão do trabalho. E, o peróxido de hidrogênio supérfluo não afetará o processamento de água subsequente, porque é constante, mas devagar, degradado em água e oxigênio pela luz solar.

Samuel Sánchez explica a motivação do grupo, "Queríamos construir micromotores que tivessem uma aplicação significativa." Em seguida, aponta:“A maior limitação é que esse tipo de remediação de água só funciona em pequena escala, até agora. Portanto, o caminho para a aplicação industrial ainda é longo e tortuoso. "No entanto, esta nova tecnologia abre caminho para o uso de micromotores multifuncionais para aplicações ambientais. Luis Soler acrescenta, "Posso imaginar que um dia esses micromotores servirão com sucesso para limpar a água de resíduos de tintas da indústria têxtil e de pesticidas da agricultura."