Se trata de películas delgadas que funcionan con luz solar y tienen la misma eficiencia para degradar colorantes

El bismuto (Bi), metal que México vende como materia prima y que se usa en cosmetología y productos farmacéuticos, promete tener una mejor aplicación en fotocatálisis para tratamiento de aguas residuales, gracias a una película delgada o recubrimiento creado en la UNAM.

Aunque el país produce 20 por ciento de bismuto (es segundo lugar en el mundo), casi nada le reditúa. Económicamente, explicó Sandra Rodil Posada, del Instituto de Investigaciones en Materiales (IIM), no revierte nada a la nación porque se vende como materia prima, a bajo precio, sin ninguna aplicación de valor agregado.

En 2010, para dar ese valor a productos mineros por medio de la nanotecnología, se creó un consorcio multinacional de investigación y desarrollo tecnológico (www.bisnano.org), integrado por universidades, centros de investigación y empresas.

Diferentes opciones

La UNAM participó en el estudio de diferentes opciones de compuestos de bismuto nanométrico con potencial aplicación de alta tecnología. Un producto de su quehacer científico es un óxido metálico basado en bismuto que compite con el óxido de titanio (TiO2), el material con que se descubrió que era posible la fotocatálisis (acelerar una reacción química con luz).

Se trata de películas delgadas (creadas por un grupo de investigadores del IIM: Stephen Muhl, Roberto Escudero, Enrique Sansores, Elizabeth Chavira, Monserrat Bizarro y Sandra Rodil) que tienen igual o mejor eficacia que el TiO2 para el proceso referido, aseguró.

El Bi en película (cierta fase cristalina, metaestable) tiene ventajas. A diferencia del P25 (el TiO2 comercial con el que se comparó), que para fotocatálisis funciona muy bien con luz ultravioleta, el óxido de bismuto lo hace con luz solar.

La radiación solar únicamente proporciona cuatro por ciento de luz ultravioleta, así que para que el TiO2 funcione como catalizador, es necesario colocarle una lámpara de luz ultravioleta al reactor para la degradación de moléculas orgánicas y la limpieza de aguas residuales, lo que implica un costo que no existiría con un semiconductor que trabaje con luz visible. Éste puede ser el óxido de bismuto sintetizado en la UNAM.

El óxido de bismuto tiene distintas fases cristalinas y al estar como películas delgadas surgen efectos de confinamiento que hacen posible obtener fases metaestables, que en estado másico sólo hay a temperaturas elevadas, arriba de 500 grados centígrados. Los científicos universitarios han sintetizado dos de estas fases cristalinas manteniéndolas estables a temperatura ambiente.

Degradación total

Monserrat Bizarro logró una degradación total de moléculas de colorantes con pura acción de luz solar, en tres horas, en un pequeño reactor con películas de óxido de bismuto.

El siguiente paso es demostrar si este semiconductor basado en Bi puede degradar una mayor variedad de moléculas orgánicas, como antibióticos, que son un problema para la salud al ser desechados.

Rodil Posada aclaró que no son los primeros en reportar las propiedades fotocatalíticas de los compuestos de Bi: hay muchos estudios de polvos nanométricos para tratamiento de aguas residuales, el problema es que luego hay que someter éstas a un filtrado para quitárselos, tercer proceso que implica un costo.

Aplicaciones

Podrían diseñarse diversos reactores para ese propósito, como un tubo de vidrio con una película depositada en su interior; al estar expuesto a la luz y circular el agua en su interior, se degradarían las moléculas orgánicas.

Otra opción sería colocarlas en rejillas por donde circule el agua o en una placa sumergida y en constante rotación. El líquido saldría libre de las moléculas orgánicas dañinas a la salud y al medio ambiente. Como la capa de estas películas es de menos de una micra de espesor, podrían cubrirse áreas grandes sin necesidad de cantidades elevadas de bismuto, expuso.

El potencial de aplicación es que, además de emplearse en soluciones acuosas, se usaría para purificar el aire, tanto en interiores como exteriores. Para que suceda la fotocatálisis es necesario que las moléculas se adsorban al semiconductor para que bajo la luz solar se logre la degradación. Así podría cubrirse una pared con estas películas para eliminar moléculas volátiles dañinas.

También sería factible implantarlo en un sistema de limpieza hospitalaria con un objetivo bactericida. Un quirófano podría estar pintado con óxido de bismuto que (por la acción de la luz solar sobre el semiconductor) impida el crecimiento de bacterias.

Una meta del equipo del IIM es hacer más eficiente el fotocatalizador. El óxido de bismuto utiliza una porción mayor de luz solar que el de titanio. Se trabaja para que use totalmente el espectro solar, abundó.

A su vez, se estudia en la degradación fotocatalítica de pesticidas o medicamentos (antibióticos, analgésicos, entre otros), que finalmente pueden llegar a los afluentes de agua o a las aguas residuales, generando efectos directos para la salud humana o indirectos, como la resistencia bacteriana a los antibióticos.

El desarrollo de todas estas aplicaciones requiere la formación de consorcios que apoyen la investigación básica y aplicada, lo que permitirá dar valor agregado a materias primas mexicanas.

El país no tiene titanio, así que el TiO2 que se usa proviene del extranjero; pero sí hay bismuto, materia prima a la que se le puede dar un alto valor agregado. Si el equipo de la UNAM sigue demostrando que es un semiconductor que funciona, el impacto puede ser favorable para la nación.

China es el primer productor de Bi en el mundo y apuesta al desarrollo tecnológico avanzado; ese elemento eventualmente estará en su mira, o quizá ya está, concluyó.