La bomba autopropulsada utiliza luz y química para capturar contaminantes específicamente

Cuando el agua ingresa a la bomba, la longitud de onda de la luz activa un receptor molecular artificial que se une a iones o aniones cargados negativamente, una clase de contaminantes asociados con trastornos metabólicos en plantas y animales. La segunda longitud de onda inactiva los receptores cuando el agua sale de la bomba, liberando contaminantes y atrapándolos en un sustrato no reactivo hasta que puedan eliminarse de forma segura.

“Esta es una prueba de concepto de que se puede utilizar un receptor artificial para convertir la energía luminosa en potencial químico para eliminar contaminantes de una fuente de residuos”, afirma el autor principal del estudio, Evan Abrahamian, profesor y presidente del Departamento de Química de Dartmouth.

Actualmente, la bomba está calibrada para contaminantes de cloruro y bromuro, pero los investigadores están trabajando para ampliar su uso para incluir otros contaminantes ricos en aniones, como desechos radiactivos, fosfatos y nitratos que se encuentran en la escorrentía agrícola y que causan enormes zonas muertas, dijo Abrahamian.

“Lo ideal sería tener varios receptores en la misma solución y activarlos con diferentes longitudes de onda de luz”, dice Abrahamian. “Esto significa que puedes registrar y recolectar cada uno de estos aniones individualmente.

La inusual capacidad del receptor artificial para capturar y liberar moléculas cargadas negativamente permitió a los investigadores controlar el flujo de iones de cloruro desde una solución de baja concentración en un extremo del tubo en forma de U hasta una solución de alta concentración en el otro extremo. El estudio encontró que, en el transcurso de 12 horas, movieron el 8% de los iones de cloruro contra un gradiente de concentración a través de una membrana integrada con los receptores artificiales.

Los investigadores se centraron en el cloruro por dos razones. En invierno, el agua de lluvia cargada de sal aumenta el contenido de cloruro en los cursos de agua, dañando plantas y animales. En segundo lugar, el transporte de iones de cloruro también desempeña un papel importante en el funcionamiento saludable de las células. La fibrosis quística es causada por la incapacidad de las células para bombear el exceso de cloruro. Los iones atrapados deshidratan las células, lo que provoca, entre otras cosas, la acumulación de moco espeso en los pulmones.

En términos absolutos, los iones cloruro fueron expulsados ​​aproximadamente 1,4 pulgadas, el ancho de la membrana que separa los dos extremos del tubo. Dado el pequeño tamaño del receptor, recorrieron una distancia impresionante utilizando únicamente la luz. “Es como patear un balón de fútbol de 65.000 campos de fútbol de largo”, dice Abrahamian.

El laboratorio de Abrahamian ha estudiado durante mucho tiempo una clase de compuestos sintéticos llamados hidrazonas, que se encienden y apagan cuando se exponen a la luz. Durante la pandemia de COVID, al estudiante de posgrado Baihao Shao se le ocurrió la idea de mejorar el receptor de hidrazona para que pudiera absorber y liberar aniones objetivo cuando se enciende y apaga.

Abrahamian intentó disuadirlo. “Le dije que, aunque era una gran idea, no creía que pudiera competir con los otros receptores fotoconmutables interesantes que había en la literatura”, dice. “Afortunadamente, Baihao me ignoró y de hecho desarrolló el futuro”.

El futuro no sólo puede controlarse mediante una fuente de energía renovable (la luz), sino que también es relativamente fácil de fabricar y modificar, afirmó Abrahamian. Los investigadores crearon el futuro uniéndolos utilizando la “química de clic”, una técnica ganadora del Premio Nobel que el químico Barry Sharpless, de 63 años, ayudó a crear años después de graduarse en Dartmouth.

Otra conexión con el Premio Nobel: un estudio muestra el potencial de las máquinas moleculares Ocho años después de que el Premio Nobel de Química de 2016 fuera otorgado a tres químicos por su trabajo en el desarrollo de versiones sintéticas. Las máquinas moleculares están muy extendidas en la naturaleza y funcionan con ATP en las células animales y con el sol en las células vegetales. En los humanos, pequeñas máquinas moleculares manejan gran parte del trabajo que ocurre en las células, desde la replicación del ADN hasta el transporte de materiales a través de la membrana celular.

Durante décadas, los científicos han intentado recrear estas fuerzas de trabajo en miniatura fuera del cuerpo para tareas como limpiar el medio ambiente, administrar medicamentos y diagnosticar y tratar enfermedades. Pero las máquinas moleculares artificiales son más fáciles de diseñar sobre el papel que de implementar en la realidad.

“Queremos imitar estos procesos biológicos y utilizar la luz solar como fuente de energía para crear sistemas de filtración autónomos y autosostenibles”, dice Abrahamian.