Investigación en Materiales de Baja Dimensionalidad del PIDi aportaría en el diseño de materiales para remoción de contaminantes

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20 Jul

La utilización de materiales en el ámbito de la ciencia resulta necesaria para el desarrollo de investigaciones que buscan contribuir a mejorar la calidad y proyección de vida de quienes habitamos el planeta. Sin embargo, al tratarse de grandes contribuciones, el concepto “materiales” suele estar asociado a aquellos que cuentan con una gran dimensionalidad, obviando los beneficios de aquellos que presentan menor tamaño.

En esta línea, el investigador del Programa Institucional de Fomento a la Investigación, Desarrollo e Innovación (PIDi), Doctor Diego Cortés Arriagada, investiga las Propiedades Adsorbentes de Materiales de Baja Dimensionalidad, analizando actualmente la adsorción de contaminantes sobre superficies basadas en grafeno, grafino y fosforeno.

A través de la Química Computacional, el Doctor en Química, busca retratar las características que estos materiales poseen, entregando además líneas de investigación que sirvan de guía para la aplicación de estos componentes.

¿De qué trata tu línea de investigación?

La principal línea de investigación que llevo a cabo es la caracterización de las propiedades adsorbentes de materiales de baja dimensionalidad y cómo estos materiales logran interactuar con moléculas de interés medioambiental o biológico.

Cuando me refiero a materiales de baja dimensionalidad, hablo de aquellos que tienen una escala bastante pequeña, tales como nanoláminas, nanotubos o aglomerados de unos cientos de átomos.

La baja dimensionalidad de estos materiales les confiere también propiedades absorbentes ideales como, por ejemplo, permitir la remoción de contaminantes, absorción de gases o moléculas de interés biológico. Entonces, mi trabajo está enfocado en caracterizar estos materiales, y analizar cómo interactúan con otras moléculas; y en base a esa interacción, poder formular las potenciales aplicaciones que esos materiales van a tener en las distintas áreas de la tecnología. En la línea de investigación principal, he caracterizado superficies basadas en grafeno para la remoción de arsénico, dioxano e hidrocarburos aromáticos, explorando además el uso de tales materiales en adsorción de gases tóxicos.

¿Qué es el grafeno?

El grafeno es como si tomáramos una sola capa de los átomos de carbono que forman el grafito, la arrancáramos y tuviéramos un material que es completamente independiente del grafito, pero que como material tiene propiedades excelentes. Como por ejemplo, propiedades conductoras.

El grafeno, si lo vemos desde este punto de vista, sería un material de baja dimensionalidad porque tiene dos dimensiones, al ser una lámina solo se tiene ancho y largo, pero para arriba no hay nada, porque todo el espacio que hay acá es un átomo. A eso yo me refiero cuando digo baja dimensionalidad.

¿En qué has trabajado utilizando grafeno?

En mis trabajos lo que he hecho es tomar estas láminas de grafeno, modificarlas de alguna forma, y que las pequeñas moléculas que se encuentran, por ejemplo, presentes en aguas contaminadas y que son contaminantes prioritarios según agencias gubernamentales, se queden unidos a este material.

¿Existen otros usos para este material?

También pueden ser usados como sensores de gases basados en grafeno, porque al adsorberse una molécula en su superficie también provoca que este material responda a esta adsorción y dejará de ser el mismo.

Por ejemplo, una persona pesa 60 kilos, pero al ponerse una mochila pesa 70 kilos, y ese cambio se puede detectar fácilmente mediante una balanza. El caso del grafeno es similar: la adsorción de gases contaminantes produce cambios en su estructura y conductividad.

¿A través de qué disciplina realizas esta caracterización?

Mis estudios estan contextualizados en el área de la Química Computacional. Esta subdisciplina de la Química incorpora una variedad de teorías, modelos y métodos de la química teórica, los cuales son automatizados e implementados en programas computacionales.

Utilizamos estos e software computacional para calcular las propiedades de átomos, moléculas o sólidos, y también para complementar la evidencia experimental que existe en estos sistemas o predecir las propiedades aplicables que pudieran tener.

¿Te quieres orientar a materiales del ámbito sustentable?

Mi investigación está más bien orientada a desarrollar materiales que permitan mejorar la eficiencia en ciertos procesos, o que ofrezcan una alternativa novedosa. Por ejemplo, a pesar de su baja masa por área superficial, el grafeno posee una mayor área superficial para absorción que otros materiales comerciales debido a su carácter laminar. Por lo tanto, su capacidad de remoción es mucho mayor, y también presenta la ventaja de ser muy estable, permitiendo muchos ciclos de uso sin perder sus propiedades.

En el caso particular del grafeno, muchas de las aplicaciones e investigaciones estuvieron ligadas sistemas electrónicos. Sin embargo, sus aplicaciones en descontaminación no habían sido muy consideradas hace unos años, y hoy estás investigaciones se están extendiendo.

¿Has trabajado solo con grafito?

No, ese es solo un ejemplo. Otro material que estoy trabajando es el fosforeno, una estructura bidimensional compuesta enteramente de átomos de fosforo y aislado por primera vez en el año 2014. Una de las características que ha llamado la atención de este material es que es mucho más adecuado para dispositivos electrónicos que el grafeno, ya que el fosforeno se comporta como un semiconductor.

¿En qué trabajas con el fosforeno?

Estudios han mostrado que materiales basados en grafeno pueden ser usados para la secuenciación de ADN (ácido desoxirribonucleico) basado su carácter adsorbente y en el cambio de sus propiedades electrónicas. El fosforeno podría poseer aplicaciones similares dado su carácter laminar. En una primera etapa, estoy desarrollando un estudio computacional para caracterizar la interacción de componentes específicos del ADN sobre fosforeno, tales como nucleobases y pares de nucleobases. La idea fundamental es comparar tales interacciones respecto a las que se obtienen sobre grafeno.

Además de dar la caracterización, tú entregas proyecciones de uso al material ¿Cuál es la motivación?

La idea principal es que una caracterización no quede solo en eso. La Química computacional permite también utilizar metodologías especificas u obtener propiedades moleculares que se relacionen a determinadas aplicaciones, tal como en la ciencia experimental. De esta forma, el trabajo científico es enriquecido. Por ejemplo, en el caso de la interacción de arsénico con grafeno, también es interesante analizar si tales interacciones serán estables en un ambiente con moléculas de agua a temperatura ambiente. Un estudio computacional, que además incluya estas condiciones, entrega resultados certeros que permitan dar aplicaciones específicas bajo la base de un fundamento científico.

¿Cuál es la etapa actual de tus investigaciones?

Hoy estoy enfocado en el estudio de la interacción de núcleobases y contaminantes basados en arsénico sobre superficies de fosforeno. Así también, continuo con el estudio de interacción de gases tóxicos sobre grafeno dopado.

Autora: Daniela Bozo Villarroel

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