Estamos inmersos en una crisis mundial del agua, que no solo abarca la disminución del suministro de agua potable. El agua potable contaminada expone a cientos de millones de personas en todo el mundo a toxinas, como bacterias, metales pesados, pesticidas y coronavirus.
Estamos inmersos en una crisis mundial del agua, que no solo abarca la disminución del suministro de agua potable. El agua potable contaminada expone a cientos de millones de personas en todo el mundo a toxinas, como bacterias, metales pesados, pesticidas y coronavirus. Esta contaminación pone en peligro la salud pública y puede provocar enfermedades graves.
Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos, junto con la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago y la Universidad de Wisconsin-Milwaukee, han ideado una metodología para la fabricación en masa de sensores capaces de detectar plomo, mercurio y E. coli., simultáneamente, en el agua corriente del grifo. La innovación de este descubrimiento podría contribuir a salvaguardar la salud pública, al proporcionar una alerta temprana de contaminación.
"Tradicionalmente, los sensores diseñados para medir contaminantes en el agua han sufrido problemas de fiabilidad y han mostrado incapacidad para detectar dispositivos defectuosos", dijo el científico de Argonne Haihui Pu, quien tiene un nombramiento conjunto con Pritzker Molecular Engineering de UChicago. "Sensores mejorados podrían evitar crisis sanitarias".
En el núcleo de estos sensores se encuentra una capa de un nanómetro de espesor de átomos de carbono y oxígeno, una forma de grafeno, que está recubierta sobre un sustrato de silicio. Este material de grafeno tiene un propósito similar al de los semiconductores que se encuentran en los chips de los ordenadores. Luego, se imprimen electrodos de oro en la superficie del grafeno, seguidos de una capa aislante de óxido de aluminio de un espesor de nanómetros. Cada sensor está diseñado para detectar una de las tres toxinas: plomo, mercurio o E. coli.
Uno de los principales desafíos en la fabricación en masa de estos sensores ha sido evaluar su calidad. En la capa aislante ultrafina se pueden formar pequeñas zonas de porosidad no deseada. Esta porosidad permite que los electrones de la capa inferior de grafeno escapen hacia la capa aislante superior. Esta fuga compromete su eficacia como aislante y da como resultado respuestas de sensores poco confiables.
El método de detección del equipo ofrece una herramienta versátil para monitorear la calidad del agua y optimizar su reutilización segura
La reciente publicación del equipo en Nature Communications describe un método de detección para identificar dispositivos defectuosos antes de la producción en masa. El método consiste en medir la respuesta eléctrica de la capa aislante mientras el sensor está sumergido en agua. La clave es que el blindaje no dañe el sensor. Al emplear esta técnica, el equipo identificó defectos estructurales en las capas aislantes, para más tarde poder establecer criterios y así detectar fácilmente dispositivos defectuosos.
Para demostrar la eficacia de su enfoque, el equipo evaluó una matriz de tres sensores, capaz de detectar, simultáneamente, plomo, mercurio y E. coli en agua corriente. Utilizando algoritmos de aprendizaje automático para analizar los resultados, pudieron cuantificar los niveles de toxinas hasta partes por mil millones, incluso en presencia de elementos que interfieren.
"La belleza de los sensores es que se pueden aplicar en cualquier forma de agua, no solo en agua del grifo", dijo Junhong Chen, estratega principal de agua de Argonne y profesor de Crown Family en Pritzker Molecular Engineering. "Es más, puedes combinar tres, treinta o trescientos sensores, cada uno de los cuales está diseñado para detectar diferentes componentes". Estos incluyen no solo metales pesados y bacterias, sino también productos farmacéuticos, pesticidas, coronavirus y un contaminante común en el agua, sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas. También podrían incluir recursos críticos, como cobalto para baterías, y nitrógeno y fósforo como nutrientes para plantas y animales.
Una vez que se identifican y eliminan los elementos problemáticos o valiosos, los sensores se pueden utilizar para evaluar la limpieza del agua tratada. Los resultados pueden orientar la reutilización segura del agua, incluido el uso potable, la agricultura y el riego, la reposición de aguas subterráneas y los procesos industriales.
Chen expresó su esperanza de comercializar esta tecnología a través de una nueva empresa que fundó. "Pero la contaminación del agua plantea un problema de salud global que exige esfuerzos colectivos", afirmó.
El método de detección del equipo ofrece una herramienta versátil para monitorear la calidad del agua y optimizar su reutilización segura. A medida que los científicos abordan esta cuestión crítica, sus esfuerzos sirven como un rayo de esperanza para un futuro más saludable y sostenible.
Esta investigación apareció en Nature Communications. Los contribuyentes de Argonne y la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de UChicago incluyen a Pu, Chen y Xiaoyu Sui. Los colaboradores de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee son Arnab Maity, Jingbo Chang, Kai Bottum, Bing Jin, Guihua Zhou, Yale Wang y Ganhua Lu.
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