Una investigación realizada entre México y Francia encontró que materiales basados en óxido de grafeno pueden potenciar procesos capaces de inactivar microorganismos y eliminar microalgas mediante luz visible. El óxido de grafeno utilizado en el estudio fue suministrado por la empresa mexicana Energeia-Graphenemex.
El tratamiento y la desinfección del agua enfrentan un desafío constante: encontrar tecnologías capaces de eliminar contaminantes de manera eficiente y, al mismo tiempo, aprovechar procesos que puedan ser sostenibles y escalables. En esta búsqueda, investigadores de distintos países exploran el potencial de materiales capaces de utilizar la luz para desencadenar reacciones que ayuden a descontaminar el agua.
Uno de estos materiales es el óxido de grafeno (GO), un derivado del grafeno que posee una estructura laminar y una gran superficie de interacción. A diferencia del grafeno, el óxido de grafeno contiene grupos funcionales con oxígeno que favorecen su interacción con el agua y permiten combinarlo con otros materiales para desarrollar estructuras con nuevas propiedades.
Un ejemplo de este potencial se encuentra en una investigación realizada entre el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV-IPN), en México, y la Universidad de Le Mans, en Francia.
El trabajo, realizado en 2021 por la Dra. Christeena Theresa Thomas, bajo la dirección de los doctores Velumani Subramaniam y Benoît Schoefs, estudió el uso de óxido de grafeno combinado con materiales semiconductores para tratar agua mediante luz.
¿Cómo puede la luz ayudar a limpiar el agua?
La investigación se basa en un proceso conocido como fotocatálisis. Explicado de manera sencilla, consiste en utilizar un material que, al recibir luz, genera reacciones químicas capaces de atacar determinados contaminantes.
Para potenciar este efecto, los investigadores combinaron óxido de grafeno con dos semiconductores: dióxido de titanio (TiO₂) y vanadato de bismuto (BiVO₄).
El papel del óxido de grafeno resulta particularmente interesante. Al integrarse con estos materiales, puede favorecer el transporte de las cargas eléctricas que se generan cuando los semiconductores reciben luz. Esto ayuda a evitar que parte de esa energía se pierda antes de participar en las reacciones responsables de la descontaminación.
El resultado es una heteroestructura, es decir, una estructura formada por diferentes materiales que trabajan conjuntamente para aprovechar las propiedades de cada uno.
Un material producido en México
Uno de los aspectos relevantes del estudio es que el óxido de grafeno empleado como materia prima fue adquirido a la empresa mexicana Energeia-Graphenemex y utilizado sin requerir una etapa adicional de purificación.
Para la Dra. Dania Hernández, jefa de Departamento en Graphenemex, la utilización del material mexicano en una investigación de esta naturaleza pone de manifiesto la importancia de contar con óxidos de grafeno con características consistentes, capaces de funcionar como materia prima para el desarrollo de nuevas tecnologías.
Desde la perspectiva de Hernández, uno de los retos de la nanotecnología aplicada consiste precisamente en lograr que los materiales desarrollados y producidos a escala industrial puedan incorporarse a investigaciones que exploren nuevas aplicaciones y que, posteriormente, puedan acercarse a condiciones de uso real.
Aunque Graphenemex no participó en el desarrollo ni en la ejecución de la investigación, su participación como proveedor del óxido de grafeno constituye un elemento de interés dentro del estudio.
Amílcar Sala Arceo, Director Comercial de Graphenemex, señala que el hecho de que un material producido por una empresa mexicana haya sido utilizado como materia prima en una investigación desarrollada entre instituciones de México y Francia representa una muestra del vínculo que puede existir entre la producción industrial de nanomateriales y la investigación científica internacional.
La disponibilidad de un óxido de grafeno producido mediante un proceso industrial establecido permite que futuras investigaciones puedan partir de un material disponible y reproducible, en lugar de depender exclusivamente de materiales sintetizados a escala de laboratorio.
99.9% de inactivación de una bacteria
Para evaluar el funcionamiento de las heteroestructuras, los investigadores utilizaron Escherichia coli K12 como microorganismo modelo.
Los resultados mostraron diferencias importantes entre los materiales utilizados individualmente y aquellos combinados con óxido de grafeno.
Una de las formulaciones, compuesta por 1.5% de óxido de grafeno y 98.5% de TiO₂, alcanzó una inactivación del 99.9% de la bacteria después de 30 minutos de exposición a luz visible, utilizando una concentración de 1.05 gramos por litro.
En contraste, el TiO₂ utilizado sin óxido de grafeno alcanzó alrededor de 20% de inactivación durante el mismo periodo.
También se estudiaron combinaciones de óxido de grafeno con BiVO₄. En este caso, la formulación con 1.5% de GO alcanzó aproximadamente 89% de inactivación después de 60 minutos, mientras que el BiVO₄ sin GO llegó alrededor del 30%.
Los resultados apuntaron así a un efecto favorable de la combinación de materiales, aunque las condiciones experimentales —como concentración y tiempo de exposición— fueron diferentes entre las pruebas.
Del laboratorio a las microalgas
La investigación no se limitó a las bacterias. Los científicos también estudiaron el efecto de estas estructuras sobre microalgas, organismos que pueden proliferar excesivamente en determinados cuerpos de agua y alterar el equilibrio de los ecosistemas.
Para ello desarrollaron pequeños pellets, o materiales compactados, a partir de óxido de grafeno y TiO₂. Estos materiales fueron colocados en agua donde se encontraban las microalgas Anabaena, de agua dulce, y Phaeodactylum, de ambiente marino.
Después de cuatro horas de exposición a luz artificial, los investigadores analizaron la actividad fotosintética de las algas mediante la fluorescencia de la clorofila.
Las muestras que habían estado en contacto con los pellets mostraron una disminución marcada de esta actividad. Posteriormente, después de permanecer una noche en oscuridad, las muestras de control recuperaron su capacidad fotosintética al volver a recibir luz, mientras que las microalgas expuestas a los materiales no mostraron señales de recuperación.
Estos resultados permitieron a los investigadores evaluar el efecto de las heteroestructuras no solamente sobre microorganismos bacterianos, sino también sobre organismos fotosintéticos.
El reto de llevar la tecnología a condiciones reales
Los resultados de laboratorio abren posibilidades, pero también muestran los retos que todavía deben resolverse antes de considerar aplicaciones a gran escala.
En los pellets utilizados para las pruebas con microalgas, los investigadores observaron cierto desprendimiento de material, probablemente relacionado con la erosión. Esto plantea cuestiones sobre la estabilidad mecánica de los materiales y la necesidad de controlar la posible liberación de nanomateriales durante su utilización.
Estos factores son fundamentales para que una tecnología desarrollada en laboratorio pueda avanzar hacia aplicaciones reales de tratamiento de agua.
Para Graphenemex, este tipo de investigaciones también evidencia la importancia de continuar desarrollando materiales que puedan ser evaluados bajo condiciones cada vez más cercanas a las que enfrentarían en aplicaciones prácticas.
El grafeno como plataforma tecnológica
Más allá de los resultados específicos obtenidos en el estudio, la investigación muestra una de las líneas que actualmente explora la ciencia de materiales: utilizar el óxido de grafeno como plataforma para combinar diferentes materiales y obtener propiedades que no necesariamente presentan por separado.
En este caso, el GO permitió desarrollar heteroestructuras capaces de aprovechar la luz visible para generar procesos de inactivación microbiológica.
Y existe un elemento particularmente relevante para México: la materia prima utilizada en la investigación fue un óxido de grafeno producido por una empresa mexicana.
Aunque Graphenemex no formó parte del desarrollo científico del proyecto, la utilización de su material demuestra que un nanomaterial producido mediante un proceso industrial puede incorporarse a investigaciones internacionales orientadas a resolver problemas concretos.
La Dra. Dania Hernández destaca, desde la perspectiva de la empresa, que la posibilidad de disponer de materiales nanoestructurados con características reproducibles constituye un paso importante para continuar explorando aplicaciones del grafeno y sus derivados.
Por su parte, Amílcar Sala Arceo subraya la relevancia de que materiales desarrollados en México puedan formar parte de proyectos científicos con participación internacional, especialmente cuando las investigaciones buscan acercar la nanotecnología a aplicaciones que impactan directamente en sectores como el tratamiento del agua.
El siguiente desafío será trasladar estos resultados de laboratorio a condiciones reales, estudiar su comportamiento durante periodos prolongados y determinar qué tan viable puede resultar su implementación a mayor escala.
Por ahora, la investigación ofrece una muestra de cómo el óxido de grafeno, combinado con otros materiales y activado mediante luz, puede abrir nuevas rutas para enfrentar uno de los grandes retos ambientales: mantener el agua libre de microorganismos y otros contaminantes.
Y, en ese proceso, un material producido en México ya forma parte de la investigación científica que busca convertir las propiedades del grafeno en soluciones para el mundo real.
