Molti inquinanti prodotti dall'uomo nell'ambiente resistono al degrado attraverso processi naturali, e interrompono i sistemi ormonali e di altro tipo nei mammiferi e in altri animali. La rimozione di questi materiali tossici, che includono pesticidi e interferenti endocrini come il bisfenolo A (BPA), con i metodi esistenti è spesso costosa e richiede tempo.

In un nuovo articolo pubblicato questa settimana in Comunicazioni sulla natura , ricercatori del MIT e dell'Università Federale di Goiás in Brasile dimostrano un nuovo metodo per utilizzare nanoparticelle e luce ultravioletta (UV) per isolare ed estrarre rapidamente una varietà di contaminanti dal suolo e dall'acqua.

Ferdinand Brandl e Nicolas Bertrand, i due autori principali, sono ex postdoc nel laboratorio di Robert Langer, il David H. Koch Institute Professor presso il Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT. (Eliana Martins Lima, dell'Università Federale di Goiás, è l'altro coautore.) Sia Brandl che Bertrand hanno una formazione come farmacisti, e descrivono la loro scoperta come un felice incidente:inizialmente hanno cercato di sviluppare nanoparticelle che potrebbero essere utilizzate per fornire farmaci alle cellule tumorali.

Brandl aveva precedentemente sintetizzato polimeri che potevano essere separati dall'esposizione alla luce UV. Ma lui e Bertrand sono venuti a mettere in dubbio la loro idoneità alla somministrazione di farmaci, poiché la luce UV può essere dannosa per i tessuti e le cellule, e non penetra attraverso la pelle. Quando hanno saputo che la luce UV veniva usata per disinfettare l'acqua in alcuni impianti di trattamento, cominciarono a fare una domanda diversa.

"Abbiamo pensato che se stanno già usando la luce UV, forse potrebbero usare anche le nostre particelle, " dice Brandl. "Poi ci è venuta l'idea di usare le nostre particelle per rimuovere sostanze chimiche tossiche, inquinanti, o ormoni dall'acqua, perché abbiamo visto che le particelle si aggregano una volta irradiate con la luce UV".

Una trappola per l'inquinamento "timoroso dell'acqua"

I ricercatori hanno sintetizzato polimeri da glicole polietilenico, un composto ampiamente usato che si trova nei lassativi, dentifricio, e colliri e approvato dalla Food and Drug Administration come additivo alimentare, e acido polilattico, una plastica biodegradabile utilizzata in bicchieri e bicchieri compostabili.

Le nanoparticelle realizzate con questi polimeri hanno un nucleo idrofobo e un guscio idrofilo. A causa di forze su scala molecolare, in una soluzione le molecole inquinanti idrofobe si muovono verso le nanoparticelle idrofobe, e si adsorbono sulla loro superficie, dove diventano effettivamente "intrappolati". Questo stesso fenomeno si verifica quando la salsa per spaghetti macchia la superficie dei contenitori di plastica, facendoli diventare rossi:in tal caso, sia la plastica che la salsa a base di olio sono idrofobe e interagiscono tra loro.

Se lasciato solo, questi nanomateriali rimarrebbero sospesi e dispersi uniformemente nell'acqua. Ma quando esposto alla luce UV, il guscio esterno stabilizzante delle particelle è sparso, e, ora "arricchite" dagli inquinanti, formano aggregati più grandi che possono essere rimossi tramite filtrazione, sedimentazione, o altri metodi.

I ricercatori hanno utilizzato il metodo per estrarre gli ftalati, sostanze chimiche che alterano gli ormoni utilizzate per ammorbidire la plastica, da acque reflue; BPA, un altro composto sintetico che altera il sistema endocrino ampiamente utilizzato in bottiglie di plastica e altri beni di consumo resinosi, da campioni di carta per stampa termica; e idrocarburi policiclici aromatici, composti cancerogeni formati dalla combustione incompleta di combustibili, da terreno contaminato.

Il processo è irreversibile e i polimeri sono biodegradabili, minimizzare i rischi di lasciare prodotti secondari tossici a persistere, dire, uno specchio d'acqua. "Una volta che passano a questa situazione macro in cui sono grandi grumi, "Bertrando dice, "non sarai in grado di riportarli di nuovo allo stato nano."

La svolta fondamentale, secondo i ricercatori, stava confermando che le piccole molecole effettivamente si adsorbono passivamente sulla superficie delle nanoparticelle.

"Al meglio delle nostre conoscenze, è la prima volta che si possono misurare direttamente le interazioni di piccole molecole con nanoparticelle preformate, " scrivono su Nature Communications.

Nano pulizia

Ancora più emozionante, dicono, è la vasta gamma di potenziali usi, dalla bonifica ambientale all'analisi medica.

I polimeri sono sintetizzati a temperatura ambiente, e non è necessario essere appositamente preparati per colpire composti specifici; sono ampiamente applicabili a tutti i tipi di sostanze chimiche e molecole idrofobe.

"Le interazioni che sfruttiamo per rimuovere gli inquinanti non sono specifiche, " Brandl dice. "Possiamo rimuovere gli ormoni, BPA, e pesticidi che sono tutti presenti nello stesso campione, e possiamo farlo in un solo passaggio".

E l'elevato rapporto superficie-volume delle nanoparticelle significa che è necessaria solo una piccola quantità per rimuovere una quantità relativamente grande di inquinanti. La tecnica potrebbe quindi offrire il potenziale per la pulizia economicamente vantaggiosa dell'acqua e del suolo contaminati su scala più ampia.

"Dal punto di vista applicativo, abbiamo mostrato in un sistema che l'adsorbimento di piccole molecole sulla superficie delle nanoparticelle può essere utilizzato per l'estrazione di qualsiasi tipo, " dice Bertrand. "Apre le porte a molte altre applicazioni in futuro".

Questo approccio potrebbe essere ulteriormente sviluppato, lui ipotizza, per sostituire l'uso diffuso di solventi organici per qualsiasi cosa, dalla decaffeinizzazione del caffè alla produzione di diluenti per vernici. Bertrand cita il DDT, vietato l'uso come pesticida negli Stati Uniti dal 1972 ma ancora ampiamente utilizzato in altre parti del mondo, come un altro esempio di un inquinante persistente che potrebbe essere potenzialmente risanato utilizzando questi nanomateriali. "E per le applicazioni analitiche in cui non è necessario molto volume per purificare o concentrare, questo potrebbe essere interessante, "Bertrando dice, offrendo l'esempio di un kit di test economico per l'analisi delle urine di pazienti medici.

Lo studio suggerisce anche il più ampio potenziale di adattamento delle tecniche di somministrazione di farmaci su scala nanometrica sviluppate per l'uso nella bonifica ambientale.

"Che possiamo applicare alcune delle soluzioni altamente sofisticate, strumenti di alta precisione sviluppati per l'industria farmaceutica, e ora guardiamo all'uso di queste tecnologie in termini più ampi, è fenomenale, "dice Frank Gu, un assistente professore di ingegneria chimica presso l'Università di Waterloo in Canada, e un esperto in nanoingegneria per l'assistenza sanitaria e le applicazioni mediche.

"Quando si pensa alla distribuzione sul campo, è lontano in fondo alla strada, ma questo documento offre un'opportunità davvero entusiasmante per risolvere un problema che è persistentemente presente, "dice Gu, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Se si adotta il normale approccio convenzionale dell'ingegneria civile o dell'ingegneria chimica per trattarlo, semplicemente non lo toccherà. È lì che si trova la parte più eccitante".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.