Los cristales diminutos y brillantes diseñados para detectar y capturar toxinas de metales pesados como el plomo y el mercurio podrían ser una herramienta nueva y poderosa para localizar y limpiar fuentes de agua contaminadas.
Motivado por casos publicitados en los que se encontraron altos niveles de metales pesados en el agua potable en Flint, Michigan, y Newark, NJ, un equipo científico dirigido por investigadores de la Universidad de Rutgers utilizó rayos X intensos en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley BerkeleyLab para sondear la estructura de los cristales que desarrollaron y aprender cómo se unen a los metales pesados.
Los cristales funcionan como sensores y trampas en miniatura, reutilizables, y se conocen como marcos metálicos luminiscentes orgánicos o LMOF.
Mejor desempeño para detectar y atrapar metales pesados
Se descubrió que un tipo de LMOF que el equipo probó tomó selectivamente más del 99 por ciento de mercurio de una mezcla de prueba de metales pesados y ligeros en 30 minutos, según los resultados recientes publicados en Materiales e interfaces aplicados . Ningún otro MOF se ha desempeñado tan bien en esta doble función de detectar y capturar, o "adsorber", metales pesados tóxicos, informó el equipo.
Simon Teat, científico del personal de Berkeley Lab, estudió cristales individuales de LMOF, cada uno de los cuales mide aproximadamente 100 micras millonésimas de metro, con rayos X en la fuente de luz avanzada ALS del laboratorio. Utilizando patrones de difracción producidos como X-los rayos de luz golpearon las muestras de LMOF, Teat aplicó herramientas de software para mapear su estructura tridimensional con resolución atómica.
El ALS es una de las pocas fuentes de luz de rayos X sincrotrón en el mundo que tiene estaciones experimentales dedicadas para estudios de cristalografía química de compuestos químicos cristalizados como MOF.
Todo comienza con la estructura
Lo que encontró fue una estructura tridimensional en forma de cuadrícula que contiene átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y zinc que enmarcan canales grandes y abiertos. Estos detalles estructurales a escala atómica son clave para comprender cómo los LMOF se unen a los pesadosmetales, y también puede ayudar en el diseño de estructuras más altamente especializadas.
"Con los MOF, normalmente estás interesado en usar los agujeros para algo", explicó Teat. En este caso, la estructura permite que los metales pesados entren en estos canales abiertos y se unan químicamente a los MOF.
Su marco muy abierto le da a los MOF una superficie abundante en relación con su tamaño, lo que les permite absorber una gran cantidad de contaminantes.
La estructura LMOF fue diseñada para brillar incorporando un componente químico fluorescente o ligando. "Cuando el metal se une al ligando fluorescente, el marco resultante fluoresce", dijo Teat. La fluorescencia de los LMOF se apaga cuando interactúan con elmetales pesados.
Según Jing Li, profesor de química en la Universidad de Rutgers que dirigió la investigación, la tecnología podría ser una solución para ahorrar dinero. "Otros habían desarrollado MOF para la detección de metales pesados o para su eliminación, pero nadie antes había realmenteinvestigó uno que hace ambas cosas ", agregó Li.
Los rayos X intensos producidos en los sincrotrones son la mejor manera de mapear la estructura tridimensional de los MOF, dijo Li, y agregó: "Conocer las estructuras cristalinas es uno de los aspectos más importantes de nuestra investigación. Los necesita en ordenpara realizar caracterizaciones posteriores y comprender las propiedades de estos materiales "
Las pruebas muestran que los MOF son químicamente selectivos, reciclables
En sus pruebas, los investigadores descubrieron que los LMOF se unen fuertemente al mercurio y al plomo, pero se unen débilmente a metales más ligeros como el magnesio y el calcio que también se encuentran en los suministros de agua pero que no presentan los mismos peligros.
Este rasgo selectivo, basado en la composición molecular de los LMOF, es importante, dijo Li. "Necesitamos tener un MOF que sea selectivo y que solo tome las especies dañinas".
Los LMOF también se pueden reciclar. Los investigadores descubrieron que podían recolectar, limpiar y luego reutilizar los LMOF durante tres ciclos de limpieza tóxica antes de que su rendimiento comenzara a degradarse.
¿Qué sigue?
El estudio señala que las áreas muy industrializadas, las ciudades con regulaciones de agua anticuadas y las comunidades agrícolas pueden ser particularmente susceptibles a la contaminación del agua subterránea, lo que puede conducir a la contaminación del suelo si no se aborda. Esto puede hacer que los contaminantes sean absorbidos por plantas y animalesen el entorno circundante, ampliando las vías de exposición.
Li dijo que una mayor I + D podría explorar LMOF de menor costo y más duraderos que podrían durar más ciclos, y los investigadores también podrían buscar el desarrollo de filtros de agua al mezclar los LMOF con polímeros para crear una película sólida ". Estos filtros podrían serutilizado para la captura a mayor escala ", dijo.
"Nos gustaría continuar con esta investigación", dijo Li, y agregó que a su equipo le gustaría probar el rendimiento del sistema en las fuentes de agua contaminadas reales si hay fondos disponibles ". Estos son resultados prometedores, pero tenemos un largo camino por recorrer paraVamos."
Su equipo también ha utilizado el ALS de Berkeley Lab para determinar las estructuras cristalinas de los MOF para una amplia variedad de otras aplicaciones, incluida la detección de altos explosivos, la detección de toxinas en los alimentos y nuevos tipos de componentes emisores de luz para LED, conocidos como fósforos, que incorporan materiales más baratos y más abundantes.
La fuente de luz avanzada es una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
Investigadores de la Universidad de Texas en Dallas y la Universidad Rider también participaron en esta investigación. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Glenn Roberts Jr .. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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