Nanoestructuras metálicas plasmónicas para potabilizar el agua contaminada

Una de las formas de producir agua limpia consiste en calentar el agua contaminada hasta que se convierte en vapor. A medida que el vapor se eleva, deja atrás los contaminantes pesados y puede ser recogida y enfriada. Existen muchas formas de calentar agua, una de las cuales es utilizar materiales que absorben la luz en una interfaz de aire y agua para aprovechar la luz solar y convertir la luz en calor. Este modo tiene una eficiencia muy alta porque toda la energía solar absorbida es utilizada para calentar el agua en su misma superficie, en lugar de calentar todo el agua a la vez.

Ahora, en un nuevo estudio publicado en la revista Nano Letters, un equipo de investigadores liderado por Mozhen Wang, de University of Science and Technology of China y Yadong Yin, de University of California Riverside, han demostrado un método que aumenta significativamente la eficiencia de generación del vapor con energía solar, utilizando nanoestructuras metálicas plasmónicas, que absorben la luz.

Estas nanoestructuras metálicas plasmónicas son muy populares en muchas aplicaciones fotónicas, lo que incluye células solares e imágenes ópticas, ya que interactúan con la luz de formas únicas, y pueden ser diseñadas para exhibir las propiedades deseadas a cada momento. Para la generación solar, por ejemplo, pueden ser modificadas para tener alta absorción de la luz solar y bajas propiedades de dispersión.

Sin embargo, tienen una limitación… las nanoestructuras metálicas plasmónicas tienen una banda resonante estrecha, y pueden absorber una pequeña porción del espectro de la luz solar. En este nuevo estudio, los investigadores consiguieron expandir bastante la banda resonante de las nanopartículas plasmónicas de plata.

«Hemos demostrado que las nanoestructuras metálicas se pueden diseñar mediante síntesis química para que sean muy efectivas a la hora de convertir la luz de amplio espectro en calor, permitiendo la generación eficiente de vapor con luz solar«, ha comentado al respecto Yin.

La mejora está basada en un concepto llamado “acoplamiento plasmónico”. Cuando dos nanopartículas plasmónicas se acercan entre sí, sus modos de resonancia se hibridan, mezclándose, lo que amplía su banda de resonancia combinada y las permite absorber luz en un más amplio rango de frecuencias.

Aunque este método había sido utilizado antes, tan sólo se habían conseguido pequeños aumentos en la banda de resonancia espectral. En este nuevo estudio, los investigadores la aumentaron significativamente utilizando un método de crecimiento de semilla combinado, para asegurarse de que más nanopartículas se acercaban entre sí para experimentar los efectos del acoplamiento. En el método de crecimiento sembrado, las semillas se fijan en la superficie interna de las nanocarcasas de polímeros en una distribución aleatoria, de modo que, a medida que las semillas crecen en nanopartículas plasmónicas, lo hacen más juntas. Este método garantiza una alta densidad de nanopartículas que se benefician del confinamiento del espacio y exhiben absorción de luz de banda ancha.

Los investigadores han calculado que este nuevo método puede alcanzar eficiencias de generación de vapor de agua gracias a la luz solar del 95%, una de las más altas hasta la fecha. En pruebas con luz solar natural, las nanopartículas alcanzaban de momento una eficiencia del 68%, pero los investigadores planean mejorar las nanoestructuras en el futuro.

«Nuestro próximo paso inmediato es desarrollar nanoestructuras negras utilizando metales como el cobre y el aluminio«, afirma Yin. «El objetivo es reducir los costos de producción y hacer que la generación eficiente de vapor a partir de la luz solar -y la consiguiente potabilización del agua- sea económicamente más viable para el uso a gran escala«.

Fuente: Nano Letters.