Nanopartículas de auto ensamblaje prometen una eficiente desalinización del agua

La desalinización solar es una panacea tentadora para todos los problemas de agua dulce en la Tierra. Después de todo, es de donde el agua dulce viene de forma natural, como parte del ciclo de agua del planeta. Lo más importante es el Sol. El calor produce vapor de agua, el vapor de agua produce lluvia. Lluvia de agua dulce.

No hay duda que podemos aprovechar esto.

Ya utilizamos la energía solar con fines de desalinización a través de una variedad de esquemas, al menos uno de los cuales ya está disponible en el comercio. Si embargo el método sigue siendo ineficiente en relación con otros métodos para la erradicación de sales, costando entre 1.52 y 2.05 dólares por metro cúbico de agua producida de acuerdo con información del Banco Mundial. Para ponerlo en perspectiva, la desalinización solar debe estar alineada con otros métodos más sucios (como los que dependen de combustibles fósiles), los que actualmente cuestan la mitad de estas cifras.

Ingenieros del Georgia Institute of Technology y la Universidad Nanjing han desarrollado un nuevo proceso de desalinización solar basado en membranas de nanopartículas que se ensamblan a sí mismas. La tecnología está basada en materiales abundantes de bajo costo (principalmente aluminio) que permanecen estables tras múltiples usos y que pueden ser fabricados con un bajo costo operativo. El trabajo del grupo está descrito en la edición de esta semana de Nature Photonics.

"Nuestro dispositivo solar de desalinización optimizado con plasmones, puede incrementar significativamente la eficiencia de transferencia de energía, no solamente una mejorada absorción de luz, también con más calentamiento localizado", explican los investigadores. "Para permitir una desalinización solar eficiente, la banda ancha y una absorción de luz eficientes son el primer paso".

El término clave en la declaración es "optimizado con plasmones". Esto es una cosa enorme en energía solar. La idea es que a medida que la luz entrante contacta ciertos materiales (metales, cristales), el resultado es una excitación en masa de los electrones libres dentro de estos materiales, que en conjunto forman una gran onda unificada. Esto es un plasmón, que es una especie de cuasi partícula. Los plasmones son potencialmente útiles para aplicaciones que van desde sensores moleculares hasta la transmision de información en chip al computar la energía solar.

Plasmónicamente hablando, ciertos metales han respondido realmente con entusiasmo a la radiación en el espectro solar. El aluminio es uno de estos. Como el documento explica, el aluminio ha sido ya explorado como un material plasmónico para aplicaciones fotocatalíticas y de detección, pero a lo largo de anchos de banda luminosa relativamente limitados. Para trabajar en la desalinización solar este rango requiere ser expandido.

Eso es lo que lograron descubrir los autores: "una banda ancha eficiente de absorción plasmónica basada en aluminio por autoensamblaje de las nanopartículas de aluminio (NPs) hacia una membrana porosa en 3D". El autoensamblaje viene en forma de calor y es aplicado a hojas de óxido de aluminio que han sido tratadas con poros de nanoescala. Algunos iones de aluminio dentro del material se vaporizan y luego se acumulan en la capa superior de la hoja. El resultado es una estructura plasmónica que permite la absorción solar eficiente a través de diversos mecanismos.

El resultado final es una membrana de aluminio plasmónico de manufactura de bajo costo que puede tenderse sobre la superficie de un cuerpo de agua, convirtiendo eficientemente la energía solar entrante en calor que de regreso convierte el agua líquida en vapor. El vapor se eleva y enfría, condensándose en agua dulce. Basado en una variedad de muestras de agua dulce, el método logró una reducción en la salinidad de cuatro órdenes de magnitud.

"A diferencia de la mayoría de las estrategias existentes de desalinización, nuestro dispositivo de desalinización optimizado con plasmones es altamente portable, siendo ideal para aplicaciones personales o miniaturizadas", concluyen los autores. "Estas estructuras plasmónicas basadas en aluminio –con materiales de bajo costo y procesos de fabricación escalables– podrían por lo tanto proveer una solución portátil para la desalinización solar con una huella de carbono mínima".